含缺陷连续管冲蚀规律研究

针对内壁含缺陷的连续管冲蚀磨损严重、易失效的问题,基于冲蚀理论和液-固两相流,建立了含缺陷连续管内 壁冲蚀模型。利用Grant和Tabakoff模型求解砂砾冲蚀速率,借助实验数据验证了CFD数值模型。利用该模型研究了连续 管内壁周向均布缺陷数量及缺陷形状参数（深度、长度和宽度）对连续管内壁含缺陷时的冲蚀影响。研究表明:完整连 续管与含1个缺陷时对比,最大冲蚀率增加了4.5倍。对于深度或宽度较小的缺陷,冲蚀更为严重,缺陷会在冲蚀作用下 迅速加深或变宽,增速下降较快。含大长度缺陷连续管在压裂中会被加速损坏。     

焊肉位置对连续管冲蚀磨损规律研究

针对连续管在压裂作业时连续管内壁易受冲蚀磨损甚至导致失效的问题,基于液固两相流和冲蚀理论,利用FLUENT软件对比研究了带焊肉的直连续管、360°弯曲连续管、正弦弯曲连续管等连续管的内壁冲蚀磨损以及焊肉位置对360°弯曲连续管的冲蚀磨损规律。研究表明:360°弯曲连续管的最大冲蚀速率较直连续管增加了近22倍,正弦弯曲连续管的最大冲蚀速率较直连续管增加了近264倍;在360°弯曲连续管中,焊肉分布在外侧时连续管所受的最大冲蚀速率较无焊肉增加了约57%,焊肉在连续管内的扭转角度由90°增加到360°时,连续管最大冲蚀速率增加了约277%,建议控制焊肉位置以及焊肉扭转程度以减小冲蚀磨损。     

页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损影响分析*

为减小管汇弯头所受的冲蚀磨损率,在考虑固液两相流模型、流体控制方程及冲蚀磨损计算模型基础上,建立高压弯头冲蚀磨损数值模型,以现场工况为依据,对压裂液的流动速度、压裂液黏度、质量流量以及颗粒直径进行控制调整,研究高压弯头的冲蚀因素,得出各因素对弯头冲蚀磨损机理,总结各因素对弯头冲蚀磨损规律。结果表明:为减小冲蚀磨损率,提高高压弯头使用寿命,应减小施工压裂液的质量流量、选用直径较小的颗粒、压裂液黏度应为0.014 Pa·s左右;针对高压弯头提出弯径比为2～3、适当增加弯头的壁厚等改进措施。     

加砂压裂中固体支撑剂对压裂管道的冲蚀磨损研究

为研究压裂高压管汇在大排量携砂液输送过程中的管壁冲蚀磨损问题,应用CFD方法及Fluent软件,建立了高压管汇主要管件三通管的冲蚀模型,基于数值模拟计算研究了冲蚀发生机理及位置,探讨了高压管汇的冲蚀特点。结果表明:压裂液流动方向变化区域存在严重的冲蚀现象,如主管与支管连接处;三通主管下游段,内壁冲蚀主要是来自支管的固体支撑剂在运动方向改变时对内壁低角度切削;管汇里越靠近井口的三通因为压裂液流量增加,主管下游段两侧冲蚀越严重。该研究结果可为管汇设计制造、关键部位检测等提供技术参考。     

弯管与盲通管冲蚀磨损对比分析研究

为了研究石油管道流向急剧改变处的冲蚀磨损问题,采用DPM模型,通过改变入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径,对90°弯管与盲通管的流场分布及冲蚀情况进行数值模拟。结果表明:弯管与盲通管最大冲蚀速率随入口流速的增大呈指数增长,随颗粒质量流速的增大呈线性增长;在50~100 μm粒径范围内,最大冲蚀速率随粒径的增加逐渐减小,在100~300 μm粒径范围内,随粒径的增加而增大;在入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径相同的条件下,弯管最大冲蚀速率明显高于盲通管最大冲蚀速率,盲通管的耐蚀性更强;由于流体在盲通管产生涡旋现象,增加了颗粒能量的耗散,从而减小了进入下游管线颗粒的速率,使得颗粒更易积存于盲通段形成堆积层,减小了下游管段冲蚀速率。     

采气管线压力调节阀的冲蚀特性研究

为准确定位采气管线压力调节阀危险部位和计算冲蚀壁厚损失,通过现场测量和三维建模数值模拟方法,研究了不同工况下阀门内部流速分布,分析了不同开度的冲蚀权重,优化了Tulsa模型的颗粒撞击角度函数。结果表明:笼套、阀芯、出口短节处流速较高,约为33～45 m/s。开度30%,70%,100%的工况分别占总运行时间的5%,25%,70%,对冲蚀的贡献分别为21%～32%,30%～40%,28%～49%。随阀门开度增加,笼套、阀芯处冲蚀有减弱趋势,改进后的模型可准确描述各部位的壁厚损失。     

快速接头内壁冲蚀规律的数值模拟分析*

为进一步改善快速接头受连续相作用易失效、内壁冲蚀磨损严重的问题,采用CFD软件中的Realizable k-ε湍流模型,对不同入口速度下的快速接头冲蚀磨损情况运用数值模拟方法分析,得到快速接头内部的流场分布及其冲蚀磨损情况。结果表明:快速接头的冲蚀主要集中在管径缩小段的大小管道交界处,且在管径突变处流体的压力、速度会发生明显变化。在粒径不变,其余变量恒定的情况下,入口流速越大,最大冲蚀速率随之增大;改变相同粒径颗粒的质量流率,可以看出最大冲蚀速率与质量流率呈正相关关系。模拟得到的不同入口速度、质量流率下在快速接头中的流动冲蚀规律,可对提高接头使用寿命、液冷散热器的平稳运行提供必要的参考。     

页岩气压裂弯管中液固两相流冲蚀磨损的数值模拟

为了研究超高压水力压裂下支撑剂颗粒进入弯管后冲蚀磨损区域的变化特性。基于液-固两相流理论、Fluent冲蚀模型建立弯管冲蚀模型,结合弯管内流场分析颗粒运动轨迹,引入斯托克斯数（St）探究冲蚀磨损区域变化,并进行数值分析。研究结果表明:弯管中冲蚀磨损发生区域有5处,主要严重区域有3处,弯管流场会改变固体颗粒数量及对壁面冲击动能与运动轨迹,St变化会明显引起冲蚀磨损区域的规律性变化;随着St从0~1至St>1变化,弯管段内壁面外侧（液体进入弯管后的正对区域）与直管段靠近弯管段的侧方区域的冲蚀磨损情况呈现“此消彼长”的规律性差异;管径越小,最大冲蚀速率的增长幅度越明显,增大管径,是减小冲蚀磨损的有效途径。研究结果对压裂弯管的改进设计及管道安全防护具有指导作用。     

连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析了油品中夹带的固体颗粒对连接结构尺寸不同的三通管的冲蚀磨损情况,得出了颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小;随着流体流入速度的增大,2种三通管的最大冲蚀率随之增大且呈指数增长;随着颗粒质量流量的增大,2种三通管的最大冲蚀率均随之增大;当流体在2种不同的三通管中流动时,管道系统的最大冲蚀率的曲线变化趋势基本一致,均为先减小再增大;当管道弯头处球体的直径为管道直径的2倍时,管道的冲蚀速率最小,颗粒对于管道的冲蚀磨损程度最轻。     

循环弯曲和内压作用下连续油管壁厚变化规律试验研究

连续油管作业期间,除受到循环弯曲载荷作用外,管内还常受内压作用,从而产生严重的塑性变形,会出现壁厚减薄和截面椭圆化,而大多数情况的疲劳裂纹都是源于壁厚减薄处。采用自制的连续油管疲劳试验机进行室内试验,模拟全尺寸连续油管在实际工况中受到的循环弯曲和内压作用,利用超声波测厚仪检测不同循环次数下的油管壁厚值。在300mm最大弯曲行程、20MPa内压下,连续油管壁厚变化率成抛物线下降趋势,得到壁厚变化率与循环次数拟合关系,可为预判连油管工作寿命提供依据。     

基于磁记忆检测方法的连续油管刻伤试验研究

随着连续油管的大规模投入使用,油管损伤引起的安全事故与日俱增。为了及时对油管使用过程中产生的缺陷进行检测、识别及定位,基于磁记忆检测方法,对连续油管进行管壁刻伤试验,结合workbench有限元方法模拟刻伤处的应力分布,对比分析不同刻伤类型产生的典型信号特征及信号特征值变化趋势。结果表明:刻伤部位的磁记忆信号曲线与应力分布曲线的特征及峰值变化趋势一致,随着刻伤宽度的增加,磁记忆信号曲线及应力分布曲线由单峰向双峰过渡,磁记忆信号峰值及应力峰值呈降低趋势;随着刻伤深度的增加,磁记忆信号曲线及应力分布曲线峰峰值增加,磁记忆信号峰值及应力峰值呈升高趋势。     

气固两相流下球阀磨损特性研究

旋塞球阀是钻柱内防喷系统中的关键设备,在气固两相流下球阀易受磨损而失效,并造成严重的井喷事故。为此,将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合,运用FLUENT软件对球阀壁面在气固两相流下的磨损分布情况进行研究,并进一步分析了球阀结构参数对于球阀壁面磨损的影响规律。结果表明:当气固两相流流经球阀时,固体颗粒会与气流分离,并在壁面上产生三处磨损集中区;随着球阀开度的减小,球阀壁面磨损量会急剧增大,且阀球内通道壁面上的磨损集中区由块状逐步转化为带状,而球阀出口处的磨损集中区则会逐渐向下移动;球阀流道直径的减小也会使得壁面磨损量增加,但磨损集中区的分布基本不变。研究结果可为进一步优化球阀流道结构以减轻其壁面磨损提供理论依据。