CFD analysis of sand particles erosion in a pipe bend
Author
Muniz Da Silveira Gomes, Taline
Term
4. semester
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-05-28
Pages
92
Abstract
Sandpartiklers erosion i rør er et væsentligt drifts- og sikkerhedsproblem i olie- og gasindustrien, især i 90° rørbøjninger hvor strømningsretningen ændres brat. Denne afhandling undersøger, om en CFD-tilgang kan forudsige erosionshastigheder i en 90° bøjning og belyser indflydelsen af nøgleparametre som rør- og partikeldiameter, fluidegenskaber og hastighed. I ANSYS Fluent blev turbulente enkeltfase-strømme (luft og vand) med indblandede sandpartikler simuleret med en Euler–Lagrange Diskret Fase Model (DPM), og betydningen af udvalgte DPM-submodeller (erosion, virtuel masse-kraft og stokastiske kollisioner) blev vurderet. Resultaterne blev sammenlignet med eksperimentelle data fra litteraturen og med to empiriske modeller, DNV GL RP O501 og API RP 14E. CFD-modellen gav resultater i god overensstemmelse med forsøg, når submodeller for erosion, virtuel masse og stokastiske kollisioner blev aktiveret, da disse beskriver kræfter på partiklerne samt partikel–partikel og partikel–væg interaktioner. API-modellen har begrænsninger i inputparametre og tenderede til at underforudsige erosion for vand med sand, mens DNV-modellen havde en tendens til at overforudsige i vandtilfælde og dermed er et mere konservativt valg til 90° bøjninger. Sammenligningerne viste desuden lavest erosion, når vand transporterede mindre partikler (150 μm), og højere erosion i gasstrøm (ρ ≈ 1,225 kg/m³) end i vand (ρ ≈ 999,8 kg/m³). Overordnet indikerer resultaterne, at en stor tæthedsforskel mellem partikler og bærende fluid forstærker erosionen, og at CFD er et egnet værktøj til erosionsforudsigelse, når relevante submodeller indgår.
Erosion caused by sand particles is a critical reliability and safety issue in oil and gas pipelines, particularly in 90° pipe bends where the flow direction changes abruptly. This thesis evaluates whether a CFD approach can predict erosion rates in a 90° bend and examines the influence of key parameters such as pipe and particle diameter, fluid properties, and velocity. Turbulent single-phase carrier flows (air and water) with entrained sand were simulated in ANSYS Fluent using an Euler–Lagrange Discrete Phase Model (DPM), and the impact of selected DPM sub-models (erosion, virtual mass force, and stochastic collisions) was assessed. Predictions were compared against published experimental data and two empirical correlations, DNV GL RP O501 and API RP 14E. The CFD model matched experiments well when erosion, virtual mass, and stochastic collision sub-models were enabled, capturing forces on particles and particle–particle and particle–wall interactions. The API model has input limitations and tended to underpredict erosion for water–sand cases, whereas the DNV model tended to overpredict for water, making it a conservative choice for 90° bends. Comparisons further showed the lowest erosion when water carried smaller particles (150 μm) and higher erosion in gas flow (ρ ≈ 1.225 kg/m³) than in water (ρ ≈ 999.8 kg/m³). Overall, the results indicate that a larger density difference between particles and carrier fluid amplifies erosion and that CFD is a suitable predictive tool when appropriate sub-models are included.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Documents