3000型壓裂車高壓管匯疲勞強(qiáng)度仿真研究

吳 星

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，柳州 545006）

0 引言

石油作為工業(yè)發(fā)展的“血液”，對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的作用。目前我國許多陸上油田的開發(fā)已進(jìn)入到中后期，并且在已探明的油氣藏中低滲油氣資源占有很大的比重，酸化壓裂作業(yè)作為油田增產(chǎn)的主要方式，對提高后期生產(chǎn)井及低滲透油氣田的產(chǎn)量有非常重大的意義[1]。然而，隨著非常規(guī)油氣開采進(jìn)程的加大和作業(yè)深度的增加，壓裂作業(yè)中工作壓力也不斷的增大，比如3000型壓裂車的壓裂作業(yè)輸出壓力最高可達(dá)到140MPa，這就在客觀上要求壓裂技術(shù)裝備有更高的安全性、可靠性和耐久性。高壓管匯作為壓裂作業(yè)中的核心部件，其彎頭部位為較薄弱環(huán)節(jié)，在工作過程中可能會(huì)承受上百兆帕的壓力、高速運(yùn)動(dòng)固相粒子的沖刷、流體腐蝕、壓力波動(dòng)以及迂回管匯轉(zhuǎn)折引起的拉壓應(yīng)力作用，加劇彎頭、變徑區(qū)域和連接部位的應(yīng)力集中程度，在較高的沖擊壓力和反復(fù)的交變載荷作用下，誘發(fā)疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋，一旦擴(kuò)展到外表面即引發(fā)高壓管匯件的刺穿和破裂，使管內(nèi)高壓流體外泄，對現(xiàn)場作業(yè)人員和設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2～3]。為此，本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX對壓裂作業(yè)高壓管匯彎頭處流場進(jìn)行了仿真分析，揭示了其沖蝕失效機(jī)理并提出相關(guān)降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

1 沖蝕疲勞現(xiàn)象及其機(jī)理

1.1 沖蝕疲勞破壞現(xiàn)象

從油田已失效破壞的壓裂作業(yè)高壓管匯可以看出，沖刷及磨損腐蝕破壞主要位于彎頭外拱內(nèi)層和靠近彎頭的直管端部及變徑段。受到破壞的彎頭外供內(nèi)壁附近表面呈現(xiàn)出溝洼狀、條紋以及麻坑，且呈現(xiàn)出一定的方向性，沖刷腐蝕形成的坑點(diǎn)處較其他部位顏色光亮[4]。從其剖切面可以看出，外供內(nèi)側(cè)壁厚有明顯減薄。

1.2 沖蝕疲勞機(jī)理

高壓管匯彎頭受到的破壞是由于沖蝕疲勞引起的，沖蝕對管匯彎頭表面的破壞主要是機(jī)械力產(chǎn)生的，其次是腐蝕因素。高速壓裂液中攜帶的支撐劑（陶粒砂），具有較大的動(dòng)能且其硬度大于被沖蝕的管匯的硬度。當(dāng)固體粒子撞擊彎頭表面時(shí)，會(huì)造成短程的微切削和塑性變形的坑，在若干粒子的長時(shí)間沖擊下就會(huì)形成磨損[5]，當(dāng)流速很高時(shí)，甚至水滴等軟粒子也會(huì)造成沖蝕，加之較高壓力和反復(fù)應(yīng)力作用甚至?xí)沟霉軈R容易產(chǎn)生疲勞斷裂。壓裂液中固體顆粒在管彎頭處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 管彎頭處壓裂液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖

1.3 固體顆粒沖蝕的預(yù)測及疲勞壽命分析

1.3.1 沖蝕的預(yù)測

目前顆粒沖蝕過程的三個(gè)階段已經(jīng)有了比較成熟的模型。對初始階段的流體攜帶顆粒流動(dòng)沖擊管道過程進(jìn)行建模，可以推導(dǎo)出流體施加在顆粒上的牽引力，對預(yù)測大量顆粒的軌跡起著重要作用。一般使用經(jīng)驗(yàn)公式或者失效模型來評估單獨(dú)顆粒沖擊管壁時(shí)造成的損傷，從而推廣至大量固體顆粒造成的沖蝕深度和分布情況的分析。

對于管匯受到顆粒沖蝕的問題，已經(jīng)有很多種預(yù)測方法包括預(yù)測顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的方法。常用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFD對流體的流動(dòng)進(jìn)行建模，通過追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面預(yù)測沖蝕分布表現(xiàn)出了很好的效果。CFD模型所采用了Huser和Kvernvold提出的理論公式[6,7]：

其中，E為沖蝕率；

Vp為顆粒的沖蝕速率；

mp為沖擊顆粒的質(zhì)量；

K，n為常數(shù)；

F()為顆粒沖擊角函數(shù)，[0，1]。

圖2 α與F(α)之間的函數(shù)關(guān)系

1.3.2 疲勞壽命分析

計(jì)算曲線法由于在很多疲勞壽命分析計(jì)算方法中，工作量小且對設(shè)備的要求較低，因此得到了廣泛的使用。

式中， 為應(yīng)力幅值；

E、N為分別為彈性模量和載荷循環(huán)次數(shù)。

由于壓裂管匯的疲勞屬于高周疲勞情況，由于存在平均應(yīng)力的影響，需要對 進(jìn)行修正，其修正關(guān)系式為：

2 高壓管匯彎頭處流場模擬分析

2.1 建立管彎頭三維實(shí)體模型

以國內(nèi)某知名石油機(jī)械廠3000型壓裂車用某段管彎頭作為研究對像，以實(shí)際尺寸參數(shù)在三維造型軟件PRO-E中建立分析對象的三維實(shí)體模型。油田現(xiàn)場壓裂作業(yè)用高壓管匯彎頭尺寸及性能參數(shù)如表1所示，仿真管彎頭實(shí)體及三維模型如圖3和圖4所示。

表1 高壓管匯彎頭尺寸及性能參數(shù)

圖3 高壓管匯彎頭實(shí)物

圖4 三維模型

通過Pro/E與ANSYS Workbench的無縫接口，將模型導(dǎo)入到Fluid Dynamics環(huán)境下的CFD模塊中，建立管彎頭內(nèi)高速流體攜帶顆粒的流域模型[8]，在ICEM CFD中進(jìn)行流域網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

設(shè)置流域邊界條件，入口壓力86MP，出口流速4.38m/s，無滑移壁面設(shè)置。

圖5 ICEM CFD中流域網(wǎng)格劃分情況

2.2 CFD仿真分析結(jié)果

2.2.1 流速場模擬結(jié)果

從流速場分析結(jié)果的中心對稱截面如圖6所示，可以看出在高壓管匯彎頭內(nèi)弧面處都出現(xiàn)了漫流區(qū)，在此區(qū)域里流體的速度發(fā)生了改變，流速達(dá)到最大值為5.1m/s，外拱面和內(nèi)弧面處的流速都大于主射流區(qū)的速度。雖然流速場模擬中顯示最大流速出現(xiàn)在內(nèi)弧面，由于壓裂液中存在固體支撐劑（陶粒砂），在壓裂液的高速帶動(dòng)下，其主要與外拱內(nèi)壁面發(fā)生碰撞導(dǎo)致沖刷，因此在高壓管匯彎頭處最容易發(fā)生沖蝕、磨損失效的部位出現(xiàn)在外拱內(nèi)壁面處。

圖6 管彎頭流速場模擬結(jié)果

2.2.2 壓力場模擬分析結(jié)果

高壓管彎頭中心截面壓力場分布情況如圖7所示，模擬結(jié)果顯示，流場的最大壓力區(qū)分布在管彎頭外拱內(nèi)壁面區(qū)域，同時(shí)彎頭內(nèi)弧面出現(xiàn)了相對負(fù)壓區(qū)。結(jié)合實(shí)際壓裂管匯大量失效案例，彎管頭部位的破壞主要表現(xiàn)為外拱內(nèi)表面的沖蝕和沖蝕部位應(yīng)力集中而引起的開裂以及外側(cè)壁厚的減薄現(xiàn)象，從而證明，壓力差加劇了管彎頭外側(cè)的破壞程度。

圖7 管彎頭流域壓力場模擬結(jié)果

3 管匯流固耦合及疲勞壽命分析

在完成壓裂高壓管匯彎頭區(qū)域的內(nèi)部流場數(shù)值仿真模擬后，將得到的流場對高壓管匯內(nèi)壁形成的壓力場數(shù)據(jù)通過ANSYS固液耦合模塊完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，在靜力結(jié)構(gòu)分析模塊中設(shè)置管匯的邊界約束條件，對高壓管匯彎頭區(qū)域的強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析應(yīng)力結(jié)果云圖如圖8所示。

圖8 管彎頭區(qū)域應(yīng)力云圖

從圖8高壓管匯彎頭截面處應(yīng)力云圖分布結(jié)果可以看出，應(yīng)力最大區(qū)域集中在高壓管匯彎頭外拱內(nèi)壁區(qū)域，且該區(qū)域出現(xiàn)了減薄情況，該結(jié)果與流場分析結(jié)果完全相吻合，證明了仿真分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)，應(yīng)力分析結(jié)果將對高壓管匯彎頭處的疲勞壽命分析做好了鋪墊。

在ANSYS Fatigue模塊中，載荷類型設(shè)置時(shí)調(diào)用前邊單次模擬工況下的瞬態(tài)載荷譜，采用GoodMan等效應(yīng)力疲勞理論將壓裂工況中高壓管匯沖擊載荷轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)載荷，完成前處理設(shè)置后經(jīng)過軟件后處理計(jì)算得到高壓管匯彎管頭處的疲勞壽命應(yīng)力云圖，如圖9所示。

圖9 管匯疲勞壽命云圖

從高壓管匯彎管頭的疲勞壽命云圖中可以看出，彎管頭外拱內(nèi)壁區(qū)域的疲勞壽命次數(shù)最低為778次，由于現(xiàn)實(shí)油田壓裂作業(yè)中，高壓管匯受到的載荷遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)?zāi)M載荷復(fù)雜，而且工作環(huán)境相對比較惡劣，高壓管匯的破壞程度大于實(shí)驗(yàn)分析，隨著油田對安全風(fēng)險(xiǎn)控制的力度加大，為避免高壓壓裂作業(yè)出現(xiàn)安全隱患，一般壓裂裝備如高壓管匯的使用次數(shù)都遠(yuǎn)低于管匯危險(xiǎn)點(diǎn)達(dá)到疲勞破壞的次數(shù)。但是高壓管匯的疲勞壽命分析對于高壓管匯的使用也起到了很大的參考依據(jù)。

4 預(yù)防沖蝕破壞的措施

經(jīng)過上述分析可知，雖然油田現(xiàn)場壓裂作業(yè)高壓管匯在使用期內(nèi)一般不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，但是高壓管匯彎頭區(qū)沖蝕破壞的預(yù)防對防止壓裂作業(yè)現(xiàn)場高壓泄露安全事故的發(fā)生有著十分重要的意義，以下幾種措施可以有效的對3000型壓裂車用高壓管匯彎頭處的沖蝕破壞做到預(yù)防和提前預(yù)警[9]。

1）管彎頭材料升級：在管道改變液流方向的彎頭及變徑處，可以通過局部更換管材提高其硬度和耐磨性的方法對高壓管匯易沖蝕破壞區(qū)域加以改善。

2）結(jié)構(gòu)改善設(shè)計(jì)：避免壓裂作業(yè)中壓裂液流動(dòng)方向的劇烈改變，或者增加彎頭處的通徑來降低流速，可以極大地降低沖蝕率。

3）采用較高的檢測技術(shù)：對高壓管匯的壁厚進(jìn)行定期檢測，根據(jù)壁厚減薄情況來分析管匯的剩余強(qiáng)度，對提前預(yù)警管匯失效有著重要作用。目前管匯壁厚檢測的方法很多，例如，超聲波測厚儀可以測量誤差在0.1mm范圍內(nèi)的壁厚?；诖庞洃浀男滦蜋z測方法對于應(yīng)力集中和疲勞損傷的檢測具有較高的精度。

5 結(jié)論

1）隨著非常規(guī)油氣田開發(fā)的規(guī)模越來越大，油田壓裂作業(yè)用高壓管匯承受的壓力也越來越大，這對高壓管匯的安全性也就提出了更高的要求；

2）采用實(shí)際參數(shù)建模，以實(shí)際壓裂作業(yè)工況條件下，對高壓管匯最易受損環(huán)節(jié)-管彎頭，做流固耦合仿真分析，得出高壓管匯管彎頭外側(cè)內(nèi)表面處為最易受損的區(qū)域的結(jié)論。用仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場受損管匯進(jìn)行分析對比，結(jié)果表明，理論仿真分析與實(shí)際受損狀況基本相吻合；

3）針對3000型壓裂車用高壓管匯存在的沖蝕破壞現(xiàn)象提出預(yù)防及檢測的措施，避免了壓裂作業(yè)中的高壓壓裂液外漏的安全隱患，同時(shí)為后期的壓裂作業(yè)中使用的高壓管彎頭設(shè)計(jì)提供了一定的幫助。

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