The study of erosive wear of the shaped elements of compressor station manifold of a gas pipeline

Abstract

The research is made to identify the places of intense strikes of liquid and solid particles to the wall of compressor station manifold of a gas pipeline, their erosive wear and to calculate the erosion rate. There is carried out 3D modeling of compressor station piping and its shaped elements, where a complex movement of multiphase flows, change of their direction, swirl, strikes of discrete phases to the wall of a pipeline as well as erosive wear of the pipeline wall occur. Based on the Lagrangian approach (the Discrete Phase Model) there were developed methods for modeling the erosive wear of compressor station manifold shaped elements (bends, T-junctions) using ANSYS Fluent R17.0 Academic software. A mathematical model is based on solving the Navier–Stokes, continuity, discrete phases motion and the Finney equations, two–parameter k -e Launder–Sharma turbulence model with appropriate initial and boundary conditions. The simulation was performed for different motion patterns of gas (gas moves through T-junction run-pipe to the T-junction branch; gas moves through the branch of T-junction to the T-junction run-pipe, in which a portion of gas stream flows in one side of the run-pipe, and the rest of the gas stream – in the other one; gas moves through the T-junction branch to one side of the T-junction run-pipe). The simulation results were visualized in ANSYS Fluent R17.0 Academic postprocessor by building concentration fields of a discrete phase and erosion rate fields at shaped elements contours. Having studied the obtained results there were identified places of intense strikes of liquid and solid particles to the wall of shaped elements of compressor station manifold, the intensive erosive wear of a pipeline wall and there was calculated the erosion rate.

Дослідження виконані з метою виявлення місць інтенсивного ударяння рідких і твердих частинок до стінки фасонних елементів обв’язки компресорної станції магістрального газопроводу, місць їх ерозійного зношування та розрахунку величини ерозійного зношування. Здійснено 3D-моделювання обв’язки компресорної станції і її фасонних елементів, де відбувається складний рух багатофазних потоків, зміна напряму їх руху, завихрення, ударяння дискретних фаз до стінки трубопроводу, ерозійне зношування стінки труби. На основі лагранжевого підходу (модель Discrete Phase Model) розроблено методику моделювання ерозійного зношування фасонних елементів обв’язки компресорної станції (відводів, трійників) із застосуванням програмного комплексу ANSYS Fluent R17.0 Academic. Математична модель базується на розв’язанні системи рівнянь Нав’є–Стокса, нерозривності, руху дискретних фаз, рівняння Фінні, замкнених двопараметричною k -e моделлю турбулентності Лаундера–Шарма з відповідними початковими та граничними умовами. У трійниках моделювання виконувалось для різних схем руху газу (газ рухається магістраллю трійника і з магістралі направляється у відвід трійника; газ рухається відводом трійника і з нього спрямовується у магістраль трійника, в якій частина газового потоку перетікає в одну з сторін магістралі, а друга – в іншу; газ рухається відводом трійника і з нього спрямовується в одну із сторін магістралі трійника). Результати моделювання були візуалізовані в постпроцесорі ANSYS Fluent R17.0 Academic побудовою полів концентрацій дискретної фази та полів швидкостей ерозійного зношування на контурах фасонних елементів. За результатами досліджень виявлено місця інтенсивного ударяння рідких і твердих частинок до стінки фасонних елементів обв’язки компресорної станції, місця інтенсивного ерозійного зношування стінки трубопроводу, розраховано величину ерозійного зношування.