流速對彎頭沖蝕率影響研究

李偉

摘? 要：作為非常規(guī)油氣開采的重要零部件，高壓管匯的壽命短問題嚴(yán)重地束縛了人類對能源的開發(fā)利用。據(jù)業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，自2008年到2015年發(fā)生的一系列油田安全作業(yè)事故中，有近65﹪的比例皆因高壓管匯失效所致。對此，有必要對高壓管匯使用壽命，失效問題做一深入研究，提高高壓管匯的使用壽命對能源的開發(fā)、儲層改造、增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)都具有重大意義。憑借ANSYS FLUENT強(qiáng)大的多物理場耦合模塊，筆者將從流體沖蝕磨損方面對高壓活動彎頭進(jìn)行流體動力學(xué)仿真，為相關(guān)學(xué)者提供一定的理論背景。

關(guān)鍵詞：高壓管匯? ANSYS FLUENT? 流體動力學(xué)仿真

中圖分類號：TE83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0059-02

Abstract： As an important part of unconventional oil and gas exploitation， the short life of high-pressure manifold seriously hampers the development and utilization of human energy. According to industry sources， from 2008 to 2015， a series of oil field safety accidents occurred， nearly 65% of them were caused by the failure of high-pressure manifold. Therefore， it is necessary to make a deep study on the service life and failure of high-pressure manifold. To improve the service life of high-pressure manifold is of great significance to energy development， reservoir transformation， increase and stable production. With the powerful multi-physical field coupling module of ANSYS FLUENT， the hydrodynamic simulation of high-pressure movable elbow will be carried out from the aspect of fluid erosion wear， which will provide a theoretical background for relevant scholars.

Key Words： High pressure manifold; ANSYS FLUENT; Fluid Dynamics Simulation

高壓流體控制元件簡稱高壓管匯，廣泛應(yīng)用于固井、壓裂和酸化測試及井口設(shè)備中，其工作壓力一般為14～140MPa。在工作期間，其內(nèi)部需承受較高的沖擊壓力和交變載荷，壁厚減損，尤其是彎頭處，磨損更為嚴(yán)重，并且其輸送的流體大多都具有腐蝕性，因此管匯件極易產(chǎn)生疲勞裂紋和沖蝕等缺陷，并引發(fā)高壓管匯件刺穿或破裂，導(dǎo)致重大工業(yè)事故的發(fā)生，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1? 不可壓縮流體分析理論基礎(chǔ)

1.1 質(zhì)量守恒方程

1.2 動量守恒方程

1.3 能量守恒方程

2? 高壓活動彎頭的沖蝕分析

在油田壓裂作業(yè)中，當(dāng)攜砂液通過彎曲部位時，彎頭部位受較大沖擊力，極易造成嚴(yán)重的沖蝕損傷。本文選取某一款型號為：3”-50型/140MPa;內(nèi)徑：76.20mm;外徑：140.00mm;曲率半徑：258.00mm的活動彎頭為研究對象，并做相關(guān)處理。

Bitter變形磨損理論認(rèn)為，磨損過程可分為變形階段與切削階段。在前期階段，沖蝕顆粒對材料內(nèi)壁不斷地沖刷，造成內(nèi)壁出現(xiàn)彈性或塑性變形;進(jìn)入惰性區(qū)后，已形成的沖蝕缺陷將直接被沖蝕粒子切削掉，并一同被沖走，形成損耗。此表明，沖擊速度對靶材的沖蝕磨損量有顯著的影響，其近似關(guān)系式可用經(jīng)驗公式表達(dá)：ε=k·vn。式中：k為比例系數(shù);v為顆粒的沖擊速度;n為速度指數(shù)，與靶材類型有關(guān)，通常n=2-3。Bitter推測，存在一個閾值速度（或門檻速度），當(dāng)固體顆粒的沖擊速率小于該值則僅發(fā)生彈性變形，不會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。Tilly還指出閾值速度與顆粒的大小也有關(guān)。

2.1 CFD-FLUENT流體動力學(xué)仿真

基于上述理論，將管內(nèi)流體視為湍流模型，該文選取k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，并在FLUENT環(huán)境下對管道系統(tǒng)進(jìn)行沖蝕分析。鑒于湍流運(yùn)動的精確模擬十分復(fù)雜，對此，該文僅能借助于經(jīng)驗公式來近似表述：，其用來設(shè)定入口流速。，管內(nèi)攜砂液體積流量為2.5～7.0/min，轉(zhuǎn)換成流速約為10 ～30m/s。保證其它參數(shù)均不變，僅改變進(jìn)水口流速，并依次設(shè)定v=10m/s，20m/s，30m/s，經(jīng)前處理，進(jìn)入FLUENT仿真環(huán)境后，所得三組流速矢量云圖見圖1-圖4所示。

對比圖1-圖3三圖可見，彎頭處液體流向突變，內(nèi)彎處流速較高，流出彎頭的過程中，彎頭拱背部分的速度較低，說明彎頭處兩相湍流程度明顯增強(qiáng)。速度差形成壓力差，易形成二次湍流。并且流體流速的不穩(wěn)定性也會形成旋渦，這將為顆粒提供更大的徑向動能，加劇內(nèi)弧外壁的沖蝕損傷。不妨選取各流速矢量云圖下的極大值，依次為1.63e+01，3.16e+01，4.85e+01，近似成2倍關(guān)系。令v′=2v，根據(jù)經(jīng)驗公式ε=k·vn計算可得，ε′=k·（v'）n=k·（2v）n=k·vn·2n=ε·2n。即沖蝕磨損量ε成指數(shù)形式增長，表明管內(nèi)流速越高，彎頭迂回處形成疲勞裂紋較其它部位愈加嚴(yán)重，根據(jù)動量定理Ft=mv-mv0，v增大，管壁應(yīng)力集中嚴(yán)重，循環(huán)交替，逐步形成疲勞裂紋，最終爆裂，這與圖4實際工況相吻合。

3? 結(jié)語

對比上述分析結(jié)果，可得到以下初步結(jié)論。

（1）根據(jù)2.1節(jié)三組流速矢量云圖可推斷出，流速對彎頭迂回處沖蝕磨損效果最為顯著，上述經(jīng)驗公式亦可驗證該結(jié)論的正確性;

（2）該文借助ANSYS FLUENT強(qiáng)大的流體仿真模塊，針對活動彎頭沖蝕磨損這一實際工況，從進(jìn)口流速這一角度進(jìn)行了詳細(xì)探討，此將為工程技術(shù)人員在設(shè)計優(yōu)化活動彎頭結(jié)構(gòu)布局方面提供參考，具有較高的實用價值。

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