1. 引言
管道壁厚检测常见于油气田集输管道和含水量较多的天然气管道。对于长输天然气管道，由于其输送的天然气大多经过净化，且在每个站场均有过滤分离器进行除水，故国内外很少有人对其壁厚进行研究，关于其壁厚检测也缺少相关的标准。长输天然气管道大多为大口径、高压力管道，一旦泄漏就会产生严重后果。故很有必要对长输天然气站场关键位置的壁厚展开相关研究。
纵观相关参考文献，研究主要集中在管道的弯头处。杨德成等研究固体颗粒对下弯管的冲蚀规律及最大冲蚀位置，结果表明：颗粒速度和冲蚀速率呈指数关系；管径增大会减小弯管的冲蚀速率，二者呈现指数关系；颗粒直径基本不影响最大冲蚀位置[1]；宋晓琴等依据现场实际工况对输气管道中90˚弯头冲蚀磨损失效问题进行研究，结果表明：集输压力越大，弯头冲蚀磨损程度减轻；重力会影响弯头冲蚀磨损程度以及磨损区域；集输管径越小，颗粒直径越大时，冲蚀磨损越严重[2]；季楚凌等对光滑内壁及横槽、纵槽和凹坑3种仿生内壁弯管的冲蚀磨损进行模拟研究。结果表明：在相同条件下，采用仿生表面可以显著提高弯管的耐磨性，且不同表面形态加厚弯管的耐磨性能由大到小依次为横槽形、纵槽形、凹坑形、光滑形[3]；郑云萍等利用Fluent模拟各项影响因素与弯管冲蚀位置和冲蚀程度的关系，得出了气体对弯管内壁大面积冲蚀，金属屑在此区域内再局部冲蚀的结论；根据不同角度弯头冲蚀情况不同在保护部位与效力上提出了“定侧面，大面积，有侧重”的防护思路[4]；户林深入研究高温高压高固含率流体输送管道壁厚磨损规律及其在线监测。利用Fluent软件对不同管径和弯径比的弯管进行模拟，结果表明，弯径比不同，弯管的磨损区域与磨损量有较大差异；同一管径时，随着弯径比增大，最大磨损量减小[5]。黄坤等为了提高天然气输送管道90˚弯管的耐磨性能，提出了1种三段弯曲式弯管，通过对弯管弯曲段进行三段式改进来减小弯管中二次流的大小，优化弯管内的流场，改善弯管的冲蚀磨损状况[6]；黄勇等研究反循环钻进中水龙头弯管磨损失效问题，结果表明：气固两相流经过弯管时，岩屑与壁面在弯管30˚，90˚和150˚转角位置存在碰撞集中区，对应形成3个壁面磨损区，其中30˚转角位置磨损最严重，形成刺漏点[7]；梁光川等通过FLUENT软件，采用有限体积法建立数学模型，针对不同流速的情况，分析压力，速度等流动参数的变化情况，直观形象地分析了流场对弯头冲蚀造成的影响，验证了弯头处较易腐蚀的部位，为研究流体力学因素对管道冲蚀的影响提供了依据[8]；曾涌捷等利用计算流体动力学(CFD)对天然气管道弯头的冲蚀失效机理进行了研究，分析了弯头的速度场和压力场，得出了弯头大弧面处为危险面的结论.提出了避免和减缓弯头冲蚀失效的预防措施[9]。
笔者应用Fluent仿真软件[10]-[14]建立模型，然后利用压力感应器收集现场数据进行模型修正。利用模型对关键位置的影响因素逐一进行分析，并选取较重要的影响因素；对不同管径、曲径比的检测位置受力区域进行研究并总结规律，并以此为依据确定检测范围及监测周期。以上研究成果可给现场运行人员日常工作提供参考，继而保证长输天然气管道安全平稳运行。
2. 相关研究过程介绍
(1) 模型介绍
在高压天然气站场，直管段的管壁受力较小，不是研究重点。而三通和弯头这两个改变气流方向的位置受力较大，故其是研究重点。
Figure 1. Schematic diagram of elbow structure
图1. 弯头结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of tee structure
图2. 三通结构示意图
本文利用Ansys Workbench软件[15]-[17]的Desgin Modeler模块[18] [19]进行几何模型的绘制，绘出的弯头模型以及三通模型，见图1和图2。
通过Ansys Workbench软件的Mesh模块利用Proximity and Curvature尺寸函数将两类仿真模型进行网格划分，并且在边界处设置膨胀层，控制好网格的平均质量。
模拟过程中，入口和出口边界条件均设置为压力入口和压力出口，流体的相关边界条件根据具体工况的参数进行设置，气相材料选用甲烷，标况下甲烷密度为ρ = 0.714 kg/m3，μ = 1.087 × 10−5 kg/(m·s)。以现场测试数据反馈模型，砂粒粒径为0.4 mm接近实际数据。古本研究采用该砂粒粒径。
(2) 影响因素研究
1) 流体流速对于冲蚀的影响规律
在建立好的冲蚀仿真模型中，设置砂粒质量流量设为1 × 10−3 kg/s，并将模型入口处的流体流速分别设置为5 m/s、7 m/s、9 m/s、11 m/s、13 m/s，得到结果见图3。
可以看出，冲蚀最严重点即监测点的最大冲蚀速率随着流体流速的增加而增大。在流速较小时，最大冲蚀速率增加较慢，在流速较大时，最大冲蚀速率迅速增大，近似呈现指数型增长。
Figure 3. Fluid flow rate and maximum erosion rate curve
图3. 流体流速与最大冲蚀速率曲线
Figure 4. Pipeline diameter and maximum erosion rate curve
图4. 管道管径与最大冲蚀速率曲线
2) 管径对于冲蚀的影响规律
在建立好的冲蚀仿真模型中，质量流量设为0.02 kg/s，入口流体流速设为9 m/s将几何模型的弯头直径依次设为150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm、500 mm、900 mm，模型其他参数均保持不变，模拟计算后得到的结果与最大冲蚀速率的关系见图4。
由该图可知，随着管道管径的增加，冲蚀速率迅速减小，而当管径由150 mm增加到400 mm时，冲蚀速率由1.825 × 10−5 kg/m2∙s减小到4.511 × 10−6 kg/m2∙s，变化幅度很大，而管径超过400 mm时，冲蚀速率处于比较低的水平，随着管径继续增大，冲蚀速率下降非常缓慢。
3) 砂粒质量流量对于冲蚀的影响规律
在建立好的仿真冲蚀模型中，保持入口速度9 m/s不变，砂粒质量流量逐次设置为0.02 kg/s、0.04 kg/s、0.06 kg/s、0.08 kg/s、0.1 kg/s，其他参数保持不变，分别对不同尺寸的管道模型进行数值模拟，所得结果最大冲蚀速率与砂粒质量流量之间的关系见如图5。
砂粒的质量流量与冲蚀速率的关系如图所示，可以知道随着砂粒的质量流量增加，冲蚀速率也呈线性增长，这是因为随着砂粒流量的增加，单位时间里砂含量增大，与管壁碰撞的数目增多，导致管壁的磨损量增加。并且还可得出随着管径的增大，冲蚀速率随砂粒流量增加的递增速度逐渐降低，所以在管径较小时，砂粒流量对于冲蚀速率的影响尤为明显。
Figure 5. Sand mass flow rate and maximum erosion rate curve
图5. 砂粒质量流量与最大冲蚀速率曲线
Figure 6. Model and maximum erosion rate curve for different bend guides
图6. 不同弯管导向的模型与最大冲蚀速率曲线
4) 弯管导向对于冲蚀的影响规律
在建立弯管仿真模型时，根据某站场的弯头实际安装方式，建立了弯管导向为水平入口、垂直向上入口、垂直向下入口的仿真模型，其中第一组模型为水平入口、垂直向下出口；第二组模型为垂直向下入口、水平出口；第三组模型为水平入口、垂直向上出口；第四组模型为垂直向上入口、水平出口；第五组模型入口出口均为水平。其他参数设置保持不变，进行仿真模拟后得到结果见图6和图7。
图6展示了弯管的出入口导向对于冲蚀速率的影响，可以发现冲蚀速率的变化并不大，在垂直向下入口、水平出口的情况下弯管的冲蚀速率最大，在垂直向上入口、水平出口的条件下弯管冲蚀速率最小，这是由于重力加速度的作用增大或减小了砂粒的入射速度。
(a)
(b)
(c)
Figure 7. Erosion rate under different bend guides. (a) Erosion of elbows at horizontal inlet and vertical downward outlet; (b) Elbow erosion at vertical downward inlet and horizontal outlet; (c) Elbow erosion at horizontal inlet and outlet
图7. 不同弯管导向下的冲蚀速率。(a) 水平入口、垂直向下出口的弯头冲蚀情况；(b) 垂直向下入口、水平出口的弯头冲蚀情况；(c) 水平入口、水平出口的弯头冲蚀情况
由图7(a)~(c)可以得出，弯管导向对于冲蚀形貌的影响不明显，弯头上最大冲蚀点均出现在弯头出口处。
5) 弯径比对于冲蚀的影响规律
建立冲蚀仿真模型时，保持入口速度9 m/s不变，改变几何模型的弯径比(R/D)分别为1.5、2、3、4、5、6、7，其余边界条件设置依旧保持不变，在分别进行数值模拟后得到结果见图8。
图8给出了弯头的弯径比对于冲蚀速率的影响规律，冲蚀速率随着弯径比的增加而增大，且冲蚀速率减小速度会随着弯径比增大而减慢。
Figure 8. Curve of bending diameter ratio and maximum erosion rate
图8. 弯径比与最大冲蚀速率曲线
Figure 9. Curve of bending angle and maximum erosion rate
图9. 弯曲角度与最大冲蚀速率曲线
6) 弯曲度对于冲蚀的影响规律
根据实际情况建立了弯曲角度依次为90˚、120˚、135˚的弯头仿真模型，保持粒径0.4 mm、流体流速9 m/s、弯径比1.5等其他参数条件不变，进行数值模拟后可得结果见图9和图10。
图9和图10给出了弯管弯曲速度对于冲蚀速率的影响关系，从图中曲线可知，从90˚弯头开始随着弯曲角度增大，最大冲蚀速率随之减小。
综上所述，管径较小(400以下)时，流速、管径、砂粒流量和弯曲度主要影响因素；管径较大(400以上)时，流速和弯曲度主要影响因素。
Figure 10. Elbow erosion at 90˚, 120˚, and 135˚ bending angles
图10. 90˚、120˚、135˚弯曲角度的弯头冲蚀情况
3. 关键位置受力区域规律研究
3.1. 弯管应力环向检测结果
将振弦式应变仪安装在站场弯管上对表面应力进项检测，在90˚的压缩机出口弯头进项检测时，设置了13个点位沿外拱面轴向10˚~70˚每间隔5˚设置一个应力检测点，用来检测振动以计算应力结果；对于120˚的汇管入口弯头，沿外拱面轴向20˚~70˚每间隔5˚设置检测点，共11个；而对于135˚的空冷器出口弯头，沿外拱面轴向20˚~80˚每间隔5˚设置检测点，共13个。每个点检测10分钟，间隔10秒检测一次，每个点所读取振动频率模数的平均值如表2所示，经过计算后的结果见图11。
可以看出站场弯管应力在轴向不同角度上的分布规律，可以得出90˚弯头表面应力集中于30˚到60˚；对于120˚弯头表面应力集中于40˚到70˚；对于135˚弯头，表面应力变化不大，主要集中为35˚至65˚ (以天然气进口为准)。
Figure 11. Axial stress detection results of elbows at different angles
图11. 各角度弯头轴向应力检测结果
3.2. 弯管应力轴向检测结果
以90˚、120˚、135˚弯头上与水平方向夹角45˚的位置为基准，沿管道环向检测弯管的表面应力，将振弦式应变仪安装在距离中轴线20~120 mm的距离范围内，每个检测点间距为20 mm，每种弯头共6个点位，同样每点每间隔10秒记录一次读数并检测10分钟，所得振动频率模数的平均值，经过计算后得到的应力值见图12。
Figure 12. Circumferential stress detection results of elbows at different angles
图12. 各角度弯头环向应力检测结果
可以得出站场弯管的表面应力在环向上的分布情况，从中轴线到管道两侧，均呈现先增大后减小的趋势，这与流体的冲击与颗粒的冲蚀有一定的关系，其结果有助于本文研究站场管道的检测范围与监测点。
3.3. 对比分析结论
以水平入口、垂直向下出口的1.5倍弯径比的90˚弯头为例，本研究将某站场应力检测结果对冲蚀仿真模型的数值模拟结果进行范围对比分析，可以得出冲蚀速率或应力随弯管水平夹角α角度变化的曲线见下图13。
由图13可知仿真模型进行数值模拟后的计算结果，随着水平夹角α的增大，冲蚀速率先快速增大后较为缓慢的减小，冲蚀严重的区域集中在弯头20˚~50˚区间。但从某输气站场的应力检测结果来看，弯管振动时表面应力主要集中于30˚~60˚，我们结合检测结果对弯头仿真模型的模拟计算结果进行修正，并分析冲蚀范围见图14。
Figure 13. Erosion rate and detection stress change curve of 90˚ elbow
图13. 90˚弯头冲蚀速率和检测应力变化曲线
Figure 14. Correction of erosion range
图14冲蚀范围修正
综合上述的研究情况，我们可以得出天然气站场弯头的冲蚀范围为20˚~60˚区间，而冲蚀速率最大的点也就是冲蚀最严重区域集中于40˚~60˚区间(以天然气进口为准)，对于站场弯管的壁厚监测可以主要集中于这个区域。
Figure 15. 120˚ Elbow erosion rate and detection stress change curve
图15. 120˚弯头冲蚀速率和检测应力变化曲线
Figure 16. Elbow erosion rate and detection stress change curve at 135˚
图16. 135˚弯头冲蚀速率和检测应力变化曲线
对于站场中120˚和135˚的天然气管道弯头，结合仿真模型与某站场检测结果，可以得到以下的弯头角度与冲蚀速率曲线，见图15和图16。
由图15可知，对于站场的120˚弯头的冲蚀情况，壁厚监测范围可以集中至30˚~65˚区间(以天然气进口为准)，由图16可知，对于站场的135˚弯头的冲蚀情况，壁厚监测范围能够集中至25˚~70˚区间(以天然气进口为准)。
4. 结论及建议
(1) 关键位置检测范围
基于以上研究结果，得出弯头、三通的检测范围如下。
1) 弯头检测范围建议
(a) 针对弯头外拱面，轴向范围以来气方向切线的切点与中心点连线为基准(0˚)。90˚弯头为35˚~65˚；120˚弯头为25˚~70˚；135˚弯头为25˚~75˚。取出以上角度处的圆弧划线，径向方向以外拱面中线为准左右各取22˚划线(见图17)，上述两划线的交际处即为检测范围(监测点位置)；
日常每次监测时，如管径大于600 mm，建议在区域内选择4个位置进行检测(至少两个点在中轴线上)；如管径小于300 mm，建议在区域内选择1个位置进行检测(中轴线上)；其余建议在区域内选择2~3个位置进行检测(至少一个点在中轴线上)。
Figure 17. Monitoring scope division
图17. 监测范围划分
(b) 负压区主要针对过滤分离器前120˚、135˚弯头。区域为进气端中轴线经弯头反射到出气端地面作为中心，参考(1)中所取面积(径向轴向各取一半)，检测点对应减少1个。
2) 三通检测范围建议
Figure 18. Classification of testing range for tee pipe
图18. 三通管检测范围划分
(a) 如图18，如果气流从B点进入，从C点输出。建议监测点选取E区域；E区域的选取标准是：靠近E的直径为D2的半圆弧，与E到C距离D2组成的区域。该区域需有两个监测点；
(b) 如图18，如果气流从C点进入，从B点输出。建议选取D2大小正对应的圆环进行取点监测。如A点封闭，气流向B点流动，则建议适当将D2大小圆环适当向B平移后进行取点监测。
(2) 检测周期确定
根据Q/SY 93-2007天然气管道检验规范，天然气管道的一般检验为每年一次，投入使用后首次在半年以内进行，而涵盖管壁腐蚀检验的专业检验因根据管道实际安全情况确定。
对弯头的管径、压力和年带压时间分配系数，将其乘积设定建议检测周期，见下表1和表2。
Table 1. Coefficients of various influencing factors
表1. 各影响因素的系数
尺寸 |
系数 |
压力 |
系数 |
带压时间 |
系数 |
≤400 mm |
1 |
<4 MPa |
1 |
<50 d |
1 |
≤600 mm |
2 |
<6 MPa |
2 |
<200 d |
2 |
>600 mm |
3 |
≥6 MPa |
3 |
≥200 d |
3 |
Table 2. Monitoring cycle check table
表2. 监测周期查表
系数乘积 |
1, 2, 3 |
4, 6, 8 |
9, 12 |
18, 27 |
建议周期 |
4年一次 |
3年一次 |
2年一次 |
1年一次 |
NOTES
*通讯作者。