天然气集输管道弯头磨损腐蚀机理研究

During the process of natural gas pipeline transportation in gathering systems, the tiny solid particles carried along would result in wear corrosion to pipe elbows, influenced by the effect of hydrogen sulfide and carbon dioxide, the corrosion perforation would result in further pipeline failure and bring about potential safety hazard and economic loss. Therefore, it is urgent to enhance pipelining safe operation to understand the mechanism of wear corrosion inside pipelines and propose pipeline elbows special customization. Based on the analysis on wear corrosion mechanism of gas pipe elbows , taking the electrochemical corrosion from hydrogen sulfide and carbon dioxide to the elbows into account, with the aid of computer software and experimental methods, this project analyzes the relationship between the law of particles in pipe elbow inner walls and wear amount distribution and proposes gathering pipeline corrosion and wear prediction equation; utilizes thickness meter to measure in-service gathering pipelines' elbow thickness and obtain the distribution law of corrosion and wear amount; verifies the corrosion rate prediction equation and perform equation revision. According to wear corrosion prediction equation, it is conceivable to predict the corrosion rate of different specifications wear elbows and propose natural gas gathering pipeline elbow design scheme and hence promote natural gas gathering pipeline elbows special customization.

天然气集输管道在输送过程中，携带的微小固体颗粒会对弯头产生磨损腐蚀，同时由于硫化氢、二氧化碳的作用加速弯头处的腐蚀穿孔，进而引发集输管道的失效，造成安全隐患与经济损失。掌握弯头内壁的磨损腐蚀机理，提出弯头的特殊定制方案是提高天然气集输管道安全运行的当务之急。本项目在研究弯头磨损腐蚀机理的基础上，同时考虑硫化氢、二氧化碳对弯头的电化学腐蚀，借助于计算机软件与实验手段，分析颗粒在管道弯头内壁的运动规律与磨损量分布之间的关系，得到集输管道弯头内壁的磨损腐蚀预测方程；利用测厚仪对在役集输管道的弯头进行测量，得到弯头磨损腐蚀量的分布规律，验证磨损腐蚀速率预测方程，并对其进行修正。根据磨损腐蚀预测方程，预测不同规格弯头的磨损腐蚀速率，并对天然气集输管道的弯头提出设计方案，推动天然气集输管道弯头的特殊定制。

针对天然气集输管道的固体颗粒冲蚀和腐蚀行为，以90°弯头为研究对象，采用理论研究、数值模拟和环道实验相结合的方法，研究了弯头冲蚀腐蚀的机理及规律，建立了冲蚀磨损速率预测的双方程模型，研制了90°弯头冲蚀腐蚀实验装置，揭示了90°弯头的冲蚀腐蚀规律。（1）采用对比法分析了5个基于实验模型和2个基于机理模型的可靠性，基于灰色相关联方法计算了实验模型与机理模型的相关度，基于对比分析结果，提出以攻角为分界条件，将疲劳磨损方程与 Tulsa 方程组合成分段函数的形式，建立了冲蚀磨损速率预测的双方程模型。（2）基于双方程模型，采用数值模拟方法分析了6种因素对弯头气固两相冲蚀磨损的影响，并采用灰色相关联方法对影响因素进行排序，发现90°弯头冲蚀磨损速率影响因素排序结果为：颗粒直径>弯头直径>气体流速>气体压力>弯径比> 颗粒密度。（3）采用数值模拟方法，研究了不同含水率条件下90°弯头的冲蚀磨损特征。（4）采用数值模拟和实验方法，研究了不同流向弯头在重力作用下的冲蚀磨损特征，发现在重力影响下，“水平向下-竖直”和“竖直向下-水平”弯头遭受到的冲蚀磨损最严重，“水平向上竖直”受冲蚀磨损最轻微；数值模拟结果和实验结果相吻合，验证了研究方法的准确性（5）设计并搭建了90°弯头气液固多相流冲蚀腐蚀联合作用实验装置，开展了90°弯头固体颗粒冲蚀、二氧化碳腐蚀的联合作用实验；研究了两种破坏类型联合作用下，弯头壁面的磨损腐蚀规律及其协同作用规律；发现在冲蚀腐蚀综合作用下，90°弯头存在冲蚀腐蚀促进区和抑制区。综上所述，项目所取得的成果，揭示了90°弯头在气固两相、气液固三相条件下的磨损腐蚀规律，发展了在特定流场情况下管材的磨损腐蚀理论，完善了90°弯头冲蚀腐蚀实验方法。为天然气集输管道系统制定有效的冲蚀腐蚀防护措施提供了理论和技术支撑，也为相关标准、规范的改进和完善提供了科学依据。