油气两相流管线内腐蚀速率预测模型的求解.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 2 月第 3 1 卷第 1 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P D F e b ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o , 1 、 油气两相流管线 内腐蚀速率预测模型的求解 韩 颖 长 江 大 学 地 球 科 学 学 院， 湖 北荆 州4 3 4 0 2 3 [ 摘要] 与单相输送管道相 比，油气混输 管道 的内壁腐蚀要严重得 多。其 内壁 腐蚀 会影响输送效 率、设 备 安全和管道的可靠性。在大量文献调研的基础上，根据 集输 管道 的 内腐蚀工 况，研究 了油气 两相流管道 内腐蚀的腐蚀机理 及影响腐 蚀速率 的 因素 ，求解 了油 气两相流 腐蚀速 率预 测模 型。通 过算侧 分析 表 明， 混输管道的 内腐蚀与流型有 关，在段塞流流型下所对应 的油气两相流管道腐蚀最为严重。 [ 关键词]油气两相流；内腐蚀；腐蚀速率预测模型；流型判断；段塞流腐蚀 [ 中图分类号]T E 9 8 0 ． 4 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 I 2 0 0 9 O 1 0 3 6 4一 O 3 油气两相流管线中含有C O H S 、盐 氯化物 、砂子和蜡等介质， 且油气两相流的流动受多种 因素的影响。因而，油气两相流管道 内壁材料的损失十分复杂 ，是一种腐蚀和冲蚀联合交互作用的过 程 。因为与流动过程有关，故被称为流动腐蚀 。而油气两相流管道内腐蚀速率预测模型的建立正是基于 对油气两相管线中的各复杂流型的研究而得到的。 1 油气两相流腐蚀速率预测模型 1 9 9 9年 5月 ，美 国路易斯 安娜大学 的 L a f a y e t t e 腐蚀研究中心通过 3年的实 验研究 ，结 合油气两相流 的特 点，提 出 了油气两相流 内腐蚀速率的预测模型[ 1 ] 。 1 ． 1 层状流 腐蚀 速率 的计算 从前面 的流 型划分 中可 以清楚 的看 到 ，在层 状流 中 ，液 相 在 下 ，气 相 在 上 。 层状流 的腐蚀计算公式是 由现场数据 与 J e p s o n 满管流动试验得 到的数据相对 比 而得，图 1表示这些数据的对比关系。 对 于 液 相 真 实 流 速 小 于1 ． 5 f t ／ s O ． 4 5 m／ s 的情况 ， 腐蚀 速率 的计算公 式 为 E E 褥 瑙 基 龌 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 流速 ／ f1． - 1 图 1 现场数据 与 J e p s o n满管流动试验数据的对 比 C R 一 3 ． 9 7 9 V3 3 ． 3 6 v f 1 7 ． 5 8VL 7 1 对于液相真实流速大于 1 ． 5 f t ／ s O ． 4 5 m／ s 的情况 ， 腐蚀速率的计算公式为 5 ． 7 7 1 9 2 式中， C R为腐蚀速率 ， mm／ a ； V L为液相流速 ， f t ／ s 。 式 1 和式 2 为从图 l曲线中得到的经验公式 。 这些经验公式 同样可以应用于满管流动的情况。 从 上式 1 、 2 中可以看到， 层状流腐蚀速率预测模型中的关键参数为 ， 表示层状流中的液相流速， 而液 相流速与层状流的持液率有关 ， 求得 了层状流的持液率 HL， 那么式 1 、 2 中的关键参数 的值也就知 [ 收藕日期]2 0 0 9 0 1 一 o 3 [ 作者筒介]韩颖 1 9 7 9 一 ，女，2 0 0 3 年大学毕业，硕士生， 现主要从事石油天然气工程方面的研究工作。 ∞ 印 ∞ 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷第 1期 韩颖油气两相流管线内腐蚀速率预测模型的求解 道了， 代回式中， 便可求得层状流型下的腐蚀速率[ 2 ] 。 1 ． 2 间歇流腐 蚀速 率的计算 间歇流通常分为塞状流或弹状流。 间歇流动的特点是气相与液相交替出现。 在间歇单元中存在有液膜 区 、 液塞 区和长气 泡 区。 当液塞区或长气泡区流速与层状流流速相等时， 用于计算层状流的腐蚀计算公式也可以应用于当液 塞区或长气泡区的腐蚀速率计算中。 式 1 适用于当液塞中的液相速度 u s 小于 1 ． 5 f t ／ s 0 ． 4 5 m／ s 时的 情况 ， 式 2 适用于当液塞中的液相速度 。 大于 1 ． 5 f t ／ s 0 ． 4 5 m／ s 时的情况。 针对不同情况选择不同 的腐蚀速率计算公式 ， 可以得到间歇流液塞区的腐蚀速率 C R s 。 对于液膜区的腐蚀速率计算， 当液膜区的液相流速小于 1 ． 5 f t ／ s 0 ． 4 5 m／ s 时， 将式 1 中的 替换 为液膜速度 L T ， 从而计算出液膜区的腐蚀速率 C R 。 当液相流速大于 1 ． 5 f t ／ s 0 ． 4 5 m／ s 时 ， 将式 2 中 的 V 替换为液膜速度 V ， 从而计算 出液膜区的腐蚀速率 C Rr 。 最终段塞流管道中的腐蚀速率由塞体部分和液膜部分的腐蚀速率相加得到。 计算公式为 C R 一 C Rs 十 r 3 式中， L 为段塞单元中塞体的长度 ， f t ； L 为段塞单元中液膜的长度 ， f t ； L u 为段塞单元的长度， f t ； C R 为 液膜区的腐蚀速率， mm／ a ； C R 。为液塞区的腐蚀速率， mm／ a 。 从式 3 可以看出， 式中的关键参数有 L L r 、 L 、 、 C R s 。 由于C R r 和 C R 与液膜区和液塞区的液 相速度有关， 而液相速度与持液率有关系。 因此 ， 应先计算段塞体内的持液率和液膜区的持液率 ， 从而计算 液膜和液塞区的液相速度， 进行判断之后 ， 代入相应的腐蚀速率计算公式进行计算， 从而求得 C Rr 和 C R 的值。 由于段塞单元的长度与段塞频率有关 ， 而段塞单元中塞体和液膜的长度是各 自的持液率与段塞单元 长度的函数。 因此， 首先求得段塞频率 ， 得到 L ， 然后 由塞体和液膜各 自的持液率与段塞单元长度的关系 解得 L 和 L F ， 从而得到式 3 中所有关键参数的值 ， 代回式 1 3 中， 便可求得间歇流型下的腐蚀速率 。 1 ． 3 环状流的腐蚀速率计算 在管线中环状流的腐蚀速率计算公式是由凝析气井的失效时间作为在管线中环状流的存在条件之一 而发展得 到的 。 失效时 间可 以由下式计 算 出来 ／r1 ． 1、 t m o n th 。 一5 4 ． 9 1 l 南 5 ． 7 4 ￡ y r s 一百 t m o n t h s 5 1 2 环状流的腐蚀速率计算公式为 ； C R 一 ㈤ 式中， t 。 n l h 。 为失效时间， 月 ； r为管线的壁厚 ， i n ；U L为液膜流速 ， i n ／ s ； 为液膜厚度， i n ； t 。 为失效时间， 年 。 从式 4 中可以看到 ， 环状流腐蚀速率预测模型中的关键参数为 U 和 ， 分别表示环状流中的液相流 速和液膜厚度 ， 而液相流速与液膜厚度均与环状流的持液率有关 ， 求得了环状流的持液率 H那么式 4 中的关键参数 和 的值也就知道了， 代 回式 4 中， 便可求得环状流型下的腐蚀速率 。 1 ． 4 L a f , I y e t t e 腐蚀 速率预 测模 型的求解 由前面小节可以知道，腐蚀速率的计算与流型划分及相关的流体参数有极大的关系。所以要求解该 模型，首先需要对管道中的流型进行判断。油气两相流流型与很多因素有关 ，如流体粘度 、介质组成及 含量、持液率 、管道倾角等。因此 ，根据各 因素之间的关系 ，L a f a y e t t e 腐蚀速率预测模型的求解步骤 为首先输入初始参数 。包括操作条件、温度计算参数和基础物性参数 3项；计算出流体的密度、焦汤 系数、压缩系数 、定压比热等物性参数；进行持液率计算；流型判别；判断出流型后再 由流型模型计算 压降和温降计算。从 而得出管线的温度和压力剖面；根据流型判断结果和持液率 、各相流量 ，计算 出各 流型的关键参数 ，如层状流的液相速度、段塞流的段塞频率、塞体速度和液膜速度、段赛长度、环状流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然 气学报 江汉石 油学院学报 2 0 0 9年 2 月 的液膜厚度等参数 ；将计算得到的参数值带入相应的腐蚀速率计算模型 ，计算 出管道中的腐蚀速率 ，从 而得到管道的腐蚀速率剖面图。 由此 ，计算出了各流型的关键参数后 ，代入 L a f a y e t t e 腐蚀速率预测模型，油气两相流管内的腐蚀 速率便可以计算出来了。 2 算例分析 某油气集输油气两相流管道，该管道由一条管长 1 6 0 k m，管径 0 ． 6 6 m 的管线和一条长 l l 5 k m，管 径为 0 ． 9 1 4 4 m的支线组成，它将来 自油田集输站和泵站的油气混合物输送到一个低温加工厂。管道每 天的输量达到 2 ． 8 3 2 1 0 m。 ，起始温度为 3 1 6 ． 4 8 K，起始压力为 8 ． 8 2 7 MP a ，末站压力为 5 ． 4 4 8 MP a ， 管线中的 H2 S分压为 0 ． 2 4 8 1 0 _ 。 MP a 。 由 L a f a y e t t e 腐蚀速率预测模型和冲蚀速率预测模型，可以计算两条管道中不同位置的压力 、温度 、 流型、腐蚀速率和冲蚀临界流速 。从计算结果可以看出管道在段塞流型下的腐蚀速率明显高于其他流型 下流体的腐蚀速率 。这是因为开始时由几条管线从不同的地方将流体运至管线中的一处混合 ，开始管内 的流型为层状流，但 由于流体的突然混合 ，会在气液交界处形成波浪 ，并逐步发展堵塞整个管断面，破 坏层流状态形成段塞流；不同流向的流体在混和时会形成气液混合区，流速和压力的突然变化使得混合 区的液流对管壁产生强烈的冲刷和加剧了对壁面的剪切作用，使腐蚀速率增大。当两条管道中的流体混 合输送至低温J mT厂时 ，管道中的流体紊流度再次增加，形成段塞流。混合流体流动对管壁的冲刷和剪 切再加上气泡对管壁的碰撞作用使缓蚀剂膜和腐蚀沉积物剥落 ，使腐蚀和冲蚀程度加大 。 3 结 语 通过对油气两相流管道内腐蚀的研究 ，在综合分析油气两相流管道流动腐蚀的多种腐蚀类型和影响 因素的基础上，确定了油气两相流管道内腐蚀速率预测模型 L a f a y e t t e 模型的求解方法。通过分析模型 中各参数问的关系 ，进行流型划分 ，并将各流型对应的关键参数进行计算，然后输入到腐蚀速率计算模 型中，从而得到油气两相流管道的内腐蚀速率的预测值。通过算例分析得到 ，当油气两相流管道中的流 体流型为段塞流时 ，管路中的内腐蚀最为严重。 ， [ 参考文献] [ 1 3刘定智 ．多相混输技术的研究与应用 [ D]． 南充 t西南石油学院 ，2 0 0 3 ． [ 2 ]G a r b e r J D ，F a r s h a d F F ，R e i n h a r d t J R，e t a 1 ． A c o m p r e h e n s i v e m o d e l f o r p r e d i c t i o n I n t e r n a l c o r r o s i o n r a t e i n fl o w l i n e s [ J ]． S PE8 7 5 6 6， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 赵智勇，王树立。彭杰 ． 气液两相段塞流中双流体模型的分析 [ J ]． 管道技术与设备t 2 0 0 1 ，1 6 1 3 ～7 ． [ 编辑] 苏开科 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m