Fluente di Ansia per la prevenzione dell'erosione e della corrosione nei flussi di tubatura

Considerazioni multifase di flusso

La maggior parte dei flussi di gasdotti non è monofase. I regimi trifase solidi, il flusso di slitta, il flusso di anulare e il flusso stratificato producono tutti i modelli di erosione distinti. In Fluente, il modello multifase eulerico o il modello di Volume di Fluid (VOF) combinato con DPM può catturare l'interazione tra fasi continue e particelle disperse.

Fisica della Corrosione in Pipeline

Reazioni elettrochimiche e trasporti di massa

La corrosione è un processo elettrochimico che comporta la dissoluzione anodica delle reazioni di riduzione del metallo e del catodo (come la riduzione dell'ossigeno o l'evoluzione dell'idrogeno). Il tasso di corrosione è controllato dal trasporto di specie reattive alla parete, il pH locale, la temperatura e la presenza di film protettivi (ad esempio, carbonato di ferro).

Influenza del Regime Flusso sulla Corrosione

I modelli di flusso influenzano fortemente la stabilità dei film protettivi. Nei flussi turbolenti, lo stress della parete alta può rimuovere meccanicamente gli strati di prodotto di corrosione, esponendo il metallo fresco all'ambiente corrosivo. Ciò è particolarmente problematico in curve, valvole e a valle di disturbi del flusso. Le simulazioni fluide possono prevedere la distribuzione dello stress della parete attraverso la geometria e identificare le regioni in cui la gomma supera le soglie critiche. Inoltre, i flussi di fase multifase possono portare a condizioni di carico di acqua

Impostazione di una simulazione fluida di ansia per l'erosione e la corrosione

Requisiti di geometria e maglia

Una simulazione tipica inizia con una geometria CAD 3D della sezione pipeline di interesse, la maggior parte delle volte una curva, un tee, un riduttore o una valvola. La rete deve essere affinata nelle regioni a parete vicino per risolvere il sottostrato viscoso, con un'enfasi sulle superfici curve dove le traiettorie di impatto delle particelle sono sensibili.

Condizioni di bonifica e proprietà fluide

Le condizioni di ingresso specificano velocità di flusso, frazioni di fase, intensità di turbolenza e temperatura. Per l'iniezione delle particelle, il modello di fase discreta richiede distribuzione del diametro delle particelle, densità, fattore di forma e portata di massa. I coefficienti di restituzione della particella alla parete determinano come viene trasferito l'energia. Per la simulazione di particelle, le concentrazioni di specie di ingresso (ad esempio, CO2, O2, H2S) e la condizione della superficie di parete (ad esempio, il campo di visco)

Modelli di turbolenza

Ansys Fluent offre una gamma di modelli di turbolenza: il modello standard k-ε è comunemente usato per la sua stabilità e l'economia, mentre il modello SST k-ω fornisce una migliore risoluzione di prossimità e si consiglia di flussi con forti gradienti di separazione o di pressione negativa.

Post-Processing e Interpretazione dei risultati

Contours del tasso di erosione e Penetrazione eccessiva

Dopo la convergenza, Fluent può produrre i contorni della velocità di erosione sulle superfici della parete (in kg/m2·s o mm/anno). Gli ingegneri tipicamente identificano le posizioni in cui il tasso di erosione previsto supera la soglia accettabile per la vita di progettazione (ad esempio, 0,1 mm/anno).

Distribuzioni e mappatura del pH

Per simulazioni di corrosione, i risultati includono la frequenza di corrosione locale (mm/anno), lo stress della parete, pH e concentrazioni di specie. Gli ingegneri cercano aree di alto tasso di corrosione che si riferiscono ad alta pressione della cinghia o accumulo di acqua. La simulazione può confrontare diverse strategie di iniezione dell'inibitore modificando la cinetica della reazione della parete. Ad esempio, l'aggiunta di una funzione definita dall'utente che riduce il tasso di corrosione quando la concentrazione dell'inibitore supera un livello critico può simulare gli effetti del trattamento chimico.

Validazione e migliori pratiche

I dati di erosione storica da test di flusso (ad esempio, dall'Università di Tulsa o DNV) e i dati di corrosione da elettrodo rotante (RCE) o test di impingement del getto devono essere utilizzati per calibrare le costanti del modello.

Case Study: Erosione in un'Elebow pipeline

Il gas di velocità superficiale è di 20 m/s, la dimensione delle particelle 300 μm e la concentrazione della sabbia 1% per peso. Una simulazione fluida (utilizzando il modello SST k-ω, DPM con 10.000 flussi di iniezione, e il modello di simulazione dell'erosione Oka) prevede un tasso di erosione di 2,5 mm/anno sulla parete esterna della curva.

Case study: Corrosione di CO2 in un loop di flusso

Un flusso con tubo ID 100 mm che trasporta la salamoia con pressione parziale 2 bar CO2 a 60°C è simulato. Il tasso di corrosione previsto da Fluent (utilizzando il trasporto delle specie e il modello de Waard-Milliams) è di 1,8 mm/anno a uno sforzo di taglio a parete di 10 Pa. Dopo aver aggiunto un inibitore (simulato riducendo l'equazione del tasso), il tasso di corrosione scende a 0.2 mm/anno.

Limitazioni e direzioni future

Limitazioni attuali di CFD Erosion/Corrosion Models

Nonostante i progressi significativi, le simulazioni di corrosione dell'erosione hanno dei limiti. I modelli di erosione spesso assumono particelle rigide e sferica, trascurando l'effetto della rottura delle particelle o delle forme irregolari che possono produrre diversi modelli di craterizzazione. I modelli di corrosione richiedono in genere costanti empiriche che sono valide solo per una gamma limitata di temperature e livelli di pH: l'elettrochimica sottostante non può essere completamente catturata quando le specie corrosive si simulano co-anno.

Tendenze emergenti: Apprendimento della macchina e Gemelli digitali

L'integrazione dell'apprendimento automatico con le simulazioni CFD sta accelerando. Le reti neurali possono essere addestrate su grandi set di dati di erosione e corrosione generati da Fluent per produrre modelli di surrogato che funzionano in pochi secondi, consentendo lo screening rapido dello scenario per i gemelli digitali. Questi modelli gemelli possono ingerire i dati di flusso in tempo reale (tassi di flusso, pressione, temperatura) dai sistemi di monitoraggio delle tubazioni e previsioni di degradazione di aggiornamento continuamente.

Raccomandazioni pratiche per gli ingegneri delle pulci

1. Inizia con componenti ad alto rischio:[] Analisi Focus CFD sui gomiti, tees, riduttori, valvole e contatori di flusso dove erosione e corrosione sono più gravi.
2. Utilizzare modelli di erosione convalidati:[] Preferire il modello Oka per l'erosione della sabbia nei flussi di gas e il modello Finnie per impatti a basso angolo nei flussi di liquido-solid.
3. Includi gli effetti multifase:[ Modelli sempre la distribuzione realistica della fase; trascurare il contenimento liquido o il settling della sabbia porterà a sottovalutare il degrado.
4. Combina erosione e corrosione:[ In molti ambienti, i due meccanismi agiscono sinergicamente—la corrosione rimuove gli strati di corrosione protettiva.
5. Supposizioni di documento:[] Dichiara chiaramente la gamma di validità per le costanti del modello (temperatura, velocità di flusso, dimensione delle particelle) per prevenire l'uso improprio nell'estrapolazione.

Conclusioni

Ansys Fluent fornisce un quadro potente e basato sulla fisica per prevedere l'erosione e la corrosione nei flussi di tubazioni. simulando il complesso gioco tra dinamiche fluide, impatto delle particelle e reazioni elettrochimiche, gli ingegneri possono identificare le vulnerabilità prima che i beni siano costruiti o durante la vita operativa. La necessità di eseguire esperimenti virtuali, la varia dei tassi di flusso, i carichi delle particelle, i trattamenti chimici e la geometria numerica, rivelano le intuzioni attuabili che prolungano la vita del servizio, riducono la manutenzione delle tubazioni.