李東昕1 劉凱峰1 閻宗攀1 王永豐1 王磊2 龐笑1 王鵬1 蘆思宇1 李廣鏊1

1.國家管網(wǎng)集團北方管道沈陽(yáng)檢測技術(shù)分公司；2.國家管網(wǎng)集團北方管道沈陽(yáng)輸油氣分公司

摘要：長(cháng)輸管道因油品含水在管道低點(diǎn)聚集導致管道內腐蝕而發(fā)生穿孔的問(wèn)題比較突出。采用OLGA 仿真軟件研究油品流速和初始含水量對某管道沿程含水率的影響規律，確定管道積水位置，通過(guò)選擇高風(fēng)險點(diǎn)開(kāi)挖檢測和驗證，判斷管道內腐蝕風(fēng)險，可為高含水油氣管道安全管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：多相流仿真軟件OLGA；管道積水位置；內腐蝕風(fēng)險

近年來(lái)，由于內腐蝕而引發(fā)的輸油管道穿孔現象逐漸增多。主要原因是油品中含腐蝕性雜質(zhì)的水在管道低點(diǎn)或流動(dòng)死區聚集形成積水，造成管道底部腐蝕。聚集水區域微生物活動(dòng)增強，管道內壁暴露在聚集水或其他電解液中的時(shí)間越長(cháng)，受到的腐蝕越嚴重。開(kāi)展管道輸送過(guò)程中的油水分布情況分析，確定管道積水位置并判斷內腐蝕風(fēng)險，以便采取針對性腐蝕控制措施很有必要。由于管輸油品含水量很低，難以通過(guò)試驗確定油水兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，本文采用多相流仿真軟件OLGA對某輸油管道進(jìn)行不同工況模擬，通過(guò)分析流動(dòng)模型數值計算結果，識別管道潛在積水位置，并以此判斷可能發(fā)生內腐蝕的風(fēng)險。

1  仿真模擬

基于GB/T 34350―2017《輸油管道內腐蝕外檢測方法》要求，在確定管道積水位置方面做了改進(jìn)，即利用多相流仿真軟件OLGA對管道流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，以更直觀(guān)的管道含水率分布情況作為積水位置的主要判斷依據。運用OLGA軟件建立管道模型，模擬不同輸量、不同初始含水量的管道輸送工況，得到管線(xiàn)沿程含水率分布曲線(xiàn)。通過(guò)分析積水的分布規律，確定管道可能的積水位置。研究?jì)热莅�括數據收集、檢測區段劃分、管道實(shí)際傾角計算、OLGA軟件仿真等方面。

1.1  輸油管道沿程含水率分析

（1）管道基本情況。該輸油管道為一條聯(lián)絡(luò )線(xiàn)，全長(cháng)1486 m，管徑711 mm、壁厚7.8 mm、年輸量850萬(wàn)t/a，設計壓力2 MPa，實(shí)際運行壓力1 MPa。輸送介質(zhì)為0#柴油，20 ℃密度830 kg/m3、黏度4.7 mm2/s。根據0#柴油國標質(zhì)量標準，其含水量為1.5%。管道起伏多、高差小，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)高速公路、水渠等特殊路段，由GPS-RTK定位繪制管道高程、里程圖。

（2）檢測區段劃分。依據管道基本情況劃分檢測區段。分界點(diǎn)包括：①輸送介質(zhì)注入點(diǎn)、分輸點(diǎn)；②緩蝕劑或化學(xué)藥劑加注點(diǎn)；③經(jīng)過(guò)加溫或加壓站后，導致溫度和壓力等工藝參數發(fā)生變化的點(diǎn)；④特殊地形地貌起止點(diǎn)；⑤管道規格發(fā)生改變的點(diǎn)。該管道里程短、無(wú)支線(xiàn)、無(wú)藥劑加注、無(wú)變徑、無(wú)中間站，根據管道地形地貌數據，確定水工、水渠、坡段起終點(diǎn)等特殊位置，將管道劃分為4個(gè)檢測區段，見(jiàn)圖 1。區段1（管道起點(diǎn)—坡段分界點(diǎn)1）包括明顯的上坡段、流體加速段，起伏密集。區段2（坡段分界點(diǎn)1—坡段分界點(diǎn)2）包括明顯的上坡段和顯著(zhù)的下坡段，呈“V”字形變化段，是管道積水重點(diǎn)關(guān)注位置。區段3（坡段分界點(diǎn)2—水渠2）包括明顯的上坡段、下坡段及水渠等不易開(kāi)挖的建筑。區段4（水渠2—管道終點(diǎn)）有連續下坡趨勢，起伏密集多變。

圖 1 管道檢測區段劃分示意圖

（3）數值計算。根據GB/T 34350―2017，確定最大液滴直徑、臨界液滴直徑、實(shí)際傾角等參數的計算方法，識別積水位置。根據水相在油相中的分散特性，當水滴單獨存在懸浮于連續烴相中，則視為稀分散系。當水滴非完全懸浮，存在明顯相互作用力時(shí)，視為稠分散系。根據GB/T 34350―2017附錄A2.1，定量判斷依據式（1）：

式中：εω 為含水率，%；ρm 為油水混合物密度，kg/m3；ρo 為油品密度，kg/m3；計算得出0#柴油值為0.98，按照稀分散系計算其最大液滴直徑。

混合相入口速度依據油品經(jīng)濟流速確定為0.5 m/s，根據該附錄A2.1所列Brauner模型， 可以得到0#柴油最大液滴直徑約為0.0434 m（表 1）。

表 1 0#柴油最大液滴直徑計算表

臨界液滴直徑與管道的傾角有關(guān)，且每一管段的傾角均很小，所以各管段的臨界液滴直徑近似一致，取平均值作為全線(xiàn)的臨界液滴直徑。根據表 1及附錄2.1式（2）計算得出0#柴油臨界液滴直徑dcrit為0.061 mm。

式中：D為管道內徑，m；α為管道的傾角，°；Δρ為油水密度差，kg/m3；為重力加速度，9.81 m/s2；f 為湍流摩阻系數，0.046/Rem0.2；Um為混合相入口速度，m/s。

根據管道走向位置與地形等因素確定管道高程測量點(diǎn)的水平間距，以此反映管道所有實(shí)際傾角變化。依據計算結果繪制管道實(shí)際傾角剖面圖（圖 2）。

圖 2 管道實(shí)際傾角剖面圖

綜合以上結果，可以發(fā)現輸送油品最大液滴直徑大于臨界液滴直徑，則水滴在水平流動(dòng)中因整理作用或在垂直流動(dòng)中因變形、乳化會(huì )分層分離，進(jìn)而形成積水。結合管道地形情況，初步判斷管道低洼處及上傾管段存在積水風(fēng)險。

1.2  運行工況對積水位置的影響分析

借助OLGA建立簡(jiǎn)單模型模擬管道輸送工況，結合入口條件、管道參數、油品參數、出口條件等數據。仿真輸出管道沿程的含水率分布圖，分析含水率分布規律可以確定管道積水位置。模擬時(shí)長(cháng)設置3 h，最大時(shí)間步長(cháng)60 s，最小時(shí)間步長(cháng)0.01 s。

（1）不同輸量工況的模擬結果。首先以油品流速為變量，分別取流速0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s進(jìn)行五組仿真模擬，對應質(zhì)量流速分別為165 kg/s、330 kg/s、494 kg/s、659 kg/s、823 kg/s。得到不同輸量下的管道沿程含水率分布圖（圖 3），圖中藍線(xiàn)代表管道沿程含水率，紅線(xiàn)代表管道輸量，黑線(xiàn)代表管道高程。

圖 3 不同輸量工況管道沿程含水率分布圖示例

（2）油品初始含水量不同的工況模擬結果。油品流速為0.5 m/s工況下，模擬油品初始含水量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，管道沿程含水率分布結果見(jiàn)圖 4。

圖 4 油品初始含水量不同的管道沿程含水率分布圖

沿程含水率最高的幾處，即管道發(fā)生積水概率較大位置。從圖 3、圖 4可知，該輸油管道積水風(fēng)險較大位置見(jiàn)表 2，距離表示距管道起點(diǎn)的長(cháng)度。

表 2 輸油管道積水位置

2  開(kāi)挖驗證

根據表 1結果，結合管線(xiàn)含水率分布情況選擇全線(xiàn)風(fēng)險較大的三處作為建議開(kāi)挖點(diǎn)，依次為第一風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)4） 、第二風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)2） 、第三風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)5），建議開(kāi)挖檢測（圖 5）。

圖 5 管道建議開(kāi)挖點(diǎn)縱斷面示意圖

經(jīng)實(shí)地考察，第一風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)4）和第二風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)2）因地理條件限制，不便開(kāi)挖。選擇第三風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)5）開(kāi)挖檢測。結果表明，該處管道壁厚無(wú)明顯減薄現象。結合現場(chǎng)超聲相控陣檢測結果，表明管壁沒(méi)有明顯的腐蝕現象或其他缺陷，見(jiàn)圖 6。

圖 6 0#柴油管道超聲相控陣檢測結果

3  結論

（1）利用OLGA仿真軟件模擬管道典型生產(chǎn)工況，得到管道沿程含水率分布圖，從中識別含水率較大處為風(fēng)險較大積水位置。

（2）不同輸量下的管道沿程含水率分布特征基本一致，隨著(zhù)油品輸量升高，沿程含水率降低。隨著(zhù)油品初始含水量增加，管線(xiàn)發(fā)生積水位置增多。管道腐蝕風(fēng)險點(diǎn)大多出現在起伏管線(xiàn)的上坡段，且在上坡段中部較長(cháng)時(shí)間維持高風(fēng)險。

（3）第三風(fēng)險點(diǎn)（風(fēng)險點(diǎn)5）開(kāi)挖檢測結果表明，該可能發(fā)生積水位置處管道本體沒(méi)有明顯的壁厚減薄及其他內腐蝕現象。受條件限制，無(wú)法對第一、第二風(fēng)險點(diǎn)位置進(jìn)行開(kāi)挖驗證，但基于積水可能性較高位置未發(fā)生腐蝕、管道壁厚無(wú)明顯減薄現狀，則相同運行條件下積水可能性相對較低的其他管段亦不存在腐蝕，可初步判斷該管道內腐蝕風(fēng)險較低。

（4）該管道輸送模型和仿真計算方法，可為判斷管道內腐蝕高風(fēng)險點(diǎn)提供借鑒。

作者簡(jiǎn)介：李東昕，1988年生，碩士，工程師，畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)材料物理與化學(xué)專(zhuān)業(yè)，主要從事長(cháng)輸管道檢測與評價(jià)等工作。聯(lián)系方式：18241667084，610243342@qq.com。