Análise de meios contendo areia para erosão e desgaste do redutor – fornecendo soluções de tubulação

Para estudar a erosão e desgaste do meio contendo areia no redutor, foi criado um modelo físico do redutor e utilizado o software Fluent para simulação numérica. A velocidade de entrada do meio, a vazão mássica de areia do meio, a relação do diâmetro do tubo (relação entre o diâmetro da pequena abertura e o diâmetro da grande abertura) e o ângulo de inclinação da região de transição foram utilizados como variáveis. para a análise de simulação. Os resultados da análise mostram que a taxa de erosão do redutor aumenta com o aumento da velocidade de entrada, e sua taxa de crescimento também aumenta com o aumento da velocidade de entrada. A taxa de erosão do redutor e a vazão mássica de areia do meio fluido estão positivamente correlacionadas com o aumento da relação do diâmetro do tubo, de modo que a erosão do fluido no redutor diminui gradualmente. O local da erosão na relação do diâmetro do tubo também muda. Quando a relação do diâmetro do tubo é pequena, os locais de erosão na região de transição são distribuídos perto da região de transição, e o ângulo de inclinação da região de transição é variável. A distribuição dos locais de erosão na seção de transição perto da extremidade estreita do lado, a proporção do diâmetro do tubo aumenta, os locais de erosão são compensados ​​e se aproximam da extremidade larga do lado em uma proporção do diâmetro do tubo de 0,7; a inclinação da seção de transição aumenta, a taxa de erosão do meio contendo areia no redutor aumenta gradualmente e sua taxa de crescimento aumenta com o aumento da inclinação da seção de transição. Os resultados do estudo podem fornecer orientação para o projeto e uso do redutor.

0. Introdução

Na indústria petrolífera, a erosão e a abrasão de meios contendo areia nas tubulações são causas comuns de falhas nas tubulações, especialmente em tubulações especiais, como curvas, peças em T e redutores. O grau de erosão e abrasão do meio na parede do tubo é muito mais grave do que o dos tubos retos, e os perigos também são maiores. Um redutor é uma configuração de tubo nas conexões do tubo, comumente usada para regular a vazão do meio, alterar a direção do tubo e aumentar a flexibilidade geral do tubo para reduzir a tensão do tubo. Na prática, devido à mudança na velocidade do fluido no redutor, as partículas sólidas no meio causam forte erosão e abrasão na parede do tubo, resultando no adelgaçamento da parede, o que leva à ruptura ou perfuração do tubo sob a ação de pressão interna.
A fim de reduzir a taxa de falhas dos redutores e prolongar a sua vida útil, numerosos cientistas realizaram pesquisas relevantes. Wang Kun et al. utilizou simulações numéricas para estudar a distribuição de erosão e cavitação sob diferentes condições de trabalho. Eles determinaram a relação entre a distribuição da erosão e da cavitação e a velocidade do redutor em diferentes temperaturas e realizaram uma verificação experimental. Tao Chunda fez um modelo mecânico do redutor, discutiu a mudança das características de tensão do redutor em diferentes direções sob a ação da pressão interna e identificou as partes perigosas do redutor e suas regras de mudança de tensão. Nos testes anteriores, Chen Chenxi usou software de elementos finitos para analisar a resistência estrutural à tração e a carga do redutor e da estrutura da junta de tubo reto, estimou a pressão e o momento fletor do redutor e da estrutura da junta de tubo reto sob a ação da carga e verificou sua viabilidade e precisão.
Atualmente, a maioria dos estudos sobre erosão de redutores preocupa-se em estudar a erosão e a lei de desgaste de redutores sob diferentes condições de trabalho como variáveis. Mais estudos são necessários sobre a erosão causada pela mudança na estrutura do gasoduto. A fim de estudar ainda mais as leis da erosão do redutor, este artigo combina o uso real de redutores com as condições do redutor e a estrutura do tubo a partir de duas considerações: o estudo da velocidade de entrada do meio, a vazão mássica do meio contendo areia , a relação do diâmetro do tubo e o ângulo de inclinação da seção de transição e outros fatores, que afetam a taxa de erosão do redutor e das peças de erosão. Os resultados do estudo podem fornecer orientação para o projeto e uso do redutor.

1. Modelagem computacional

1.1 Modelo matemático do campo de fluxo

O meio líquido utilizado neste estudo é a água. A velocidade do fluido no redutor varia muito. Para melhor simular a situação real do líquido na tubulação, o modelo k-ε padrão é utilizado no cálculo. As equações específicas são as seguintes.

Na fórmula:

• k é a energia cinética turbulenta J;
• G_k representa a energia cinética turbulenta gerada pelo gradiente de velocidade laminar J;
• G_b representa a energia cinética turbulenta gerada pela força de empuxo, J; ε é a taxa de dissipação turbulenta, J/s;
• S_k representa o gradiente de velocidade do fluxo turbulento compressível, J;
• G_b representa a energia cinética turbulenta gerada pela força de empuxo J;
• ε é a taxa de dissipação turbulenta, J/s;
• S_k é a energia cinética flutuante gerada pela difusão transitória em turbulência compressível, J; c_ε1C_ε2C_ε3σ_kσ_ε são constantes e seus valores são considerados 1,44, 1,9, 0,09, 1,0 e 1,2, respectivamente;
• S_k e S_ε são coeficientes ajustados.

O acoplamento entre areia e meio líquido foi calculado utilizando o modelo DPM, e o modelo de erosão foi utilizado para cálculo numérico. As partículas de areia são fases discretas; a densidade é 1500 kg/m³e o diâmetro é 200 μm. O modelo é resolvido por acoplamento estacionário.

1.2 Modelo geométrico

As dimensões do redutor são mostradas na Fig. Na Fig. 1, o diâmetro da seção do tubo é AD₁ com um valor de 100 mm e o diâmetro da seção do tubo B é D₂ com um valor de 100 mm. Para garantir o pleno desenvolvimento do líquido na tubulação, os comprimentos das seções retas devem ser L₁ e eu₂ são maiores que 5 vezes o diâmetro do tubo. O ângulo θ da porção reduzida do tubo deve ser inferior a 15° para evitar um grande fenômeno de separação da parede do líquido na área redutora, ou seja, para não gerar um grande vórtice.

Figura 1: Esboço da estrutura do redutor

1.3 Divisão da rede e condições de contorno

Para garantir a precisão dos resultados do cálculo, o modelo de canal redutor de fluxo é uma rede estruturada. As condições de contorno de entrada e saída são definidas para a velocidade de entrada e pressão de saída, respectivamente, e a pressão de saída é definida para 30 MPa.

2. Análise dos resultados da simulação

2.1 Diferentes condições de trabalho da lei de redução da erosão

2.1.1 Influência da velocidade de entrada do meio na erosão do redutor

A velocidade de entrada do meio é um fator importante que afeta a taxa de erosão. Na análise, o ângulo de inclinação θ da seção de transição foi escolhido como 10°, a razão do diâmetro do tubo foi escolhida como objeto de estudo como 0,5 e a velocidade de entrada do meio foi definida como 4, 6, 8, 10 e 12 m/s e a taxa de fluxo de massa de partículas sólidas foi definida como 1,5 kg/s foi assumida usando a função de parede padrão. A Figura 2, Figura 3 e Figura 4 mostram o vetor de velocidade, a nuvem de velocidade e a nuvem de erosão do tubo do campo de fluxo interno do redutor quando a velocidade de entrada é de 10 m/s, respectivamente.
Uma análise abrangente das Figuras 2, 3 e 4 do cálculo mostra que o meio externo flui para a seção de transição. A direção da velocidade mudou devido à influência da parede do tubo. As partículas de areia no meio colidem com a parede do tubo devido à inércia, resultando na erosão da parede do tubo. Portanto, a principal erosão do redutor ocorre na seção de transição do redutor.

Figura 2: Velocidade de entrada de 10 m/s para o mapa vetorial de velocidade

Figura 3: Velocidade de entrada de 10 m/s com diagrama de nuvem de velocidade

Fig. 4 Diagrama de nuvens de erosão a uma velocidade de entrada de 10 m/s
A Figura 5 mostra a relação entre a taxa de erosão do tubo e a curva de velocidade de entrada. Como pode ser visto na Figura 5: Ceteris paribus, a taxa de erosão do meio arenoso no redutor aumenta com o aumento da velocidade de entrada. À medida que a velocidade de entrada aumenta, a velocidade das partículas de areia no meio aumenta, a energia cinética aumenta e a intensidade da colisão entre as partículas de areia e a parede do redutor aumenta. Ao mesmo tempo, a inércia das partículas de areia aumenta com a velocidade. As partículas de areia do fluido são rastreadas a uma velocidade mais baixa, fazendo com que mais partículas de areia colidam com a parede. O número de colisões também aumenta, de modo que a taxa de erosão aumenta com a velocidade de entrada do meio e a taxa de crescimento também acelera com o aumento da velocidade de entrada.

Figura.5 Velocidade de entrada e taxa de erosão da relação entre a curva

2.1.2 Influência do fluxo de massa do meio contendo areia na redução da erosão

Com o ângulo de inclinação θ da seção de transição de 10° e a relação do diâmetro do tubo de 0,5 para o modelo de cálculo do redutor, a velocidade de entrada é definida como 10 m/s; O fluxo de massa de areia foi assumido como sendo 0,50, 0,75, 1,00, 1,25, 1,50, 1,75 e 2,00 kg/s para o cálculo; os resultados dos cálculos são mostrados na Figura 6.

Figura 6: Relação entre fluxo de massa de areia e taxa de erosão do meio
A Figura 6 mostra que a velocidade de entrada permanece inalterada, a vazão mássica da areia média aumenta gradualmente e a intensidade da colisão entre a areia e a parede do tubo permanece inalterada. Porém, com o aumento da frequência de colisão e o aumento das partículas de areia, a taxa de erosão do redutor também aumenta gradativamente. A vazão de massa da areia média mostra uma função primária do crescimento da relação.

2.2 Influência da estrutura da tubulação na erosão do redutor

Diferentes estruturas de tubos levam diretamente a diferentes campos de fluxo no redutor. Neste estudo são consideradas duas variáveis ​​da estrutura do duto: a relação do calibre do tubo do redutor e o ângulo de inclinação da seção de transição do redutor θ. O método de variável única examina a influência desses dois fatores na erosão do redutor.

2.2.1 Influência da relação do diâmetro do tubo na erosão do redutor

Na extremidade grande do diâmetro do tubo de 100 mm, o ângulo de transição θ é 10° e a relação do diâmetro do tubo de 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 e 0,7 reduz o modelo para análise. A velocidade de entrada do meio é assumida como 10 m/s e a vazão mássica de areia como 1,5 kg/s, e o cálculo da relação entre a relação do diâmetro do tubo e a taxa de erosão da curva é mostrado na Figura 7.

Figura 7 Curva de relação entre a relação do diâmetro do tubo e a taxa de erosão
A Figura 7 mostra que sendo outras coisas iguais, a proporção do diâmetro do tubo aumenta e a taxa de erosão do meio contendo areia na parede do tubo redutor diminui gradualmente. Isso ocorre porque a relação do diâmetro do tubo aumenta, o diâmetro do tubo de saída aumenta, a seção de transição da vazão do meio torna-se menor, a força de colisão das partículas de areia e a superfície da parede do tubo diminui e a frequência torna-se menor. Além disso, à medida que a proporção do diâmetro do tubo aumenta, o ângulo de erosão das partículas de areia na superfície da parede do tubo também diminui. Portanto, à medida que a proporção do diâmetro do tubo aumenta, a taxa de erosão diminui e a relação entre as curvas tende gradualmente a se achatar.
À medida que a proporção do calibre do tubo aumenta, a distribuição das partes erosivas do redutor também muda. O diagrama de nuvem de erosão do redutor é mostrado na Figura 8. A Figura 8 mostra que quando a relação de calibre do tubo é 0,3, a distribuição principal das partes de erosão do redutor está próxima da extremidade menor da largura de 0,1D.₁ área, e na tubulação um círculo da parede é distribuído uniformemente; na proporção do calibre do tubo, ela aumenta gradualmente, as partes de erosão são gradualmente compensadas e gradualmente deslocadas da extremidade pequena da boca para a extremidade grande da boca, a área de erosão também é gradualmente expandida, por exemplo, quando o calibre do tubo é mais de 0,5, a parte principal da erosão se expande para uma largura de 0,3D₁a parte principal do calibre do cano como 0,3D₁ Largura de 0,3D₁ Largura da parede. Por exemplo, se a proporção do diâmetro do tubo for 0,5, a maior parte da erosão se estende até a área de largura 0,3D₁; quando a proporção do diâmetro do tubo aumenta para 0,7, a proporção de erosão perto da extremidade pequena e da extremidade grande é distribuída em ambos os lados, a largura do lado próximo à extremidade menor é 0,3D₁a largura do lado próximo à extremidade grande é 0,2D₁e o local de maior erosão muda do lado próximo à extremidade menor para o lado próximo à extremidade maior.

Figura 8. Mapa de nuvem de erosão redutora

2.2.2 Influência da inclinação da seção de transição na erosão do redutor

Como modelo de cálculo, utiliza-se o redutor com diâmetro de tubo de 100 mm na extremidade grande, relação de diâmetro de tubo de 0,5 e ângulo de inclinação da seção de transição de 5,0°, 7,5°, 10,0°, 12,5° e 15,0°. usado. As outras condições são as mesmas. O cálculo do ângulo de inclinação da seção de transição e da taxa de erosão é realizado conforme as curvas da Figura 9.

Figura 9 A relação entre o ângulo de inclinação da seção de transição e a taxa de erosão da curva
A Figura 9 mostra a taxa de erosão do redutor à medida que o ângulo da seção de transição aumenta, e o aumento sob outras condições é o mesmo. Isso ocorre porque à medida que o ângulo de inclinação da seção de transição aumenta, a vazão do meio muda mais rapidamente, a turbulência aumenta e a erosão do meio na superfície da parede do tubo é acelerada. Além disso, de acordo com a literatura, o ângulo de erosão da areia na superfície da parede do tubo aumenta quando o ângulo de inclinação da seção de transição está na faixa de 0° – 30°. Antes e depois da colisão das partículas de areia, a direção da mudança de velocidade é maior e a intensidade da colisão entre a areia e a superfície da parede do tubo aumenta. Portanto, a taxa de erosão do redutor aumenta à medida que o ângulo de inclinação da seção de transição aumenta, e a taxa de crescimento também é acelerada à medida que o ângulo de inclinação da seção de transição aumenta.

3. Conclusão

• (1) O efeito de erosão do meio contendo areia no redutor ocorre principalmente na área de transição do redutor.
• (2) A taxa de erosão do meio contendo areia no redutor aumenta com o aumento da velocidade de entrada, e a taxa de crescimento também é acelerada com o aumento da velocidade de entrada.
• (3) A vazão mássica do meio contendo areia aumentou gradualmente, a taxa de erosão do redutor também aumentou gradualmente, e a vazão mássica do meio contendo areia mostrou uma função primária do crescimento desta relação.
• (4) A taxa de erosão diminui à medida que a proporção do calibre do tubo aumenta e a curva de relação tende gradualmente a se achatar. O diâmetro do tubo é relativamente pequeno e as partes de erosão do redutor são distribuídas principalmente na seção de transição próxima à extremidade pequena da lateral. À medida que a proporção do calibre do tubo aumenta gradualmente, o local da erosão muda gradualmente, da extremidade pequena da boca gradualmente em direção à extremidade maior; com uma relação de calibre do tubo de 0,7, a localização da erosão muda da extremidade menor da lateral para perto da extremidade maior da lateral.
• (5) A taxa de erosão do redutor aumenta à medida que o ângulo de inclinação da seção de transição aumenta, e a taxa de crescimento também é acelerada à medida que o ângulo de inclinação da seção de transição aumenta.