基于DOE分析的球閥密封面氣固兩相流沖蝕研究*

彭東華 董紹華 王志強(qiáng) 張來斌 孫 玄

(1.中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院 2. 中國石油大學(xué)(北京) 管道技術(shù)與安全研究中心 3. 北京奧藍(lán)仕技術(shù)有限公司)

0 引 言

在石油與天然氣的生產(chǎn)儲運(yùn)過程中，沖蝕行為是導(dǎo)致材料失效的主要原因之一。流體中攜帶的砂礫會與壁面發(fā)生多次碰撞并引起管壁材料損失，特別是油氣管道系統(tǒng)中常見的彎頭、歧管和球閥等關(guān)鍵部位。沖蝕破壞可能導(dǎo)致設(shè)備失效和管線泄漏，造成環(huán)境污染，形成安全隱患。因此，開展沖蝕磨損機(jī)理和行為研究對于設(shè)備失效的前置防護(hù)，真正落實本質(zhì)安全至關(guān)重要。

常見的流體攜砂沖蝕包括液固兩相流沖蝕和氣固兩相流沖蝕2種。目前，大量學(xué)者通過試驗和數(shù)值模擬的方法對沖蝕行為及機(jī)理進(jìn)行了研究[1-7]。彭文山等[8]通過開展數(shù)值模擬，針對氣田集輸管道彎頭結(jié)構(gòu)，研究了不同彎徑比及顆粒粒徑影響下的彎頭沖蝕規(guī)律。宋曉琴等[9]利用CFD仿真建立了集輸管道90°彎頭模型，分析了集輸壓力、重力方向、集輸流速、集輸管徑以及顆粒大小對彎頭沖蝕磨損的影響。Q.B.NGUYEN等[10-11]通過仿真和試驗研究發(fā)現(xiàn)，沖蝕速率隨顆粒速度增大而增大，顆粒直徑越大，沖蝕輪廓形狀越小，但沖蝕深度越大，沖蝕速率隨顆粒硬度的增大而增大。周蘭等[12]針對壓裂彎頭，對壓裂液的流動速度、壓裂液黏度、質(zhì)量流量以及顆粒直徑進(jìn)行了綜合分析，討論了各因素對彎頭沖蝕磨損的影響機(jī)理。

對于沖蝕預(yù)測模型，許多學(xué)者通過試驗的方式得出了一系列沖蝕經(jīng)驗公式。其中：I.FINNIE[13]提出了最早的沖蝕預(yù)測理論公式，并認(rèn)為塑性材料的沖蝕機(jī)理為微切削作用。K.AHLERT[14]以碳鋼為試件材料，改變顆粒形狀和沖擊角度進(jìn)行了大量的直接沖擊試驗，并提出一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Y.I.OKA等[15-16]基于各種顆粒和試件參數(shù)，考慮碰撞速度、碰撞角度、試件材料硬度、顆粒粒徑和顆粒類型等對沖蝕速率的影響，開展大量試驗得到了氣固兩相流中較為通用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。挪威船級社DNV[17]基于試驗數(shù)據(jù)和仿真分析得出了一類沖蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。美國塔爾薩大學(xué)沖蝕/腐蝕研究中心K.AHLERT[14]和B.S.MCLAURY[18]主要面向碳鋼和鋁質(zhì)材料，重點(diǎn)考慮顆粒形狀對沖蝕速率的影響，提出了E/CRC經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

目前，管件的沖蝕磨損研究主要集中于彎頭和歧管等[19-21]，對于球閥及其密封面的研究較少。因此，本文針對天然氣管道球閥密封面沖蝕行為，設(shè)計了一套完整的球閥密封面氣固兩相流沖蝕磨損試驗裝置，并考慮顆粒速度、顆粒粒徑和沖蝕角度等對密封面沖蝕磨損的影響；首次采用33次完全析因設(shè)計法，對沖蝕參數(shù)進(jìn)行ANOVA分析、回歸分析、交互效應(yīng)分析、均值分析和響應(yīng)曲面分析，考慮了各影響因子之間的相互作用，發(fā)展了用于預(yù)測球閥密封面沖蝕磨損的回歸模型，取得了較好的預(yù)測結(jié)果；最后得到了適用于天然氣管道球閥密封面沖蝕磨損的優(yōu)化參數(shù)。研究成果可為減緩球閥沖蝕磨損失效提供指導(dǎo)。

1 試驗及統(tǒng)計方法

1.1 試驗材料和方法

氣固兩相沖蝕磨損試驗原理如圖1所示。壓縮機(jī)提供穩(wěn)定氣流，石英砂為沖蝕砂礫，其不同尺寸的顆粒SEM電鏡圖像如圖2所示。采用光學(xué)粒子計數(shù)器(Particle Counter)計數(shù)并與氣體混合，氣固兩相流混合后進(jìn)入噴嘴，并沖擊試件，造成試件沖蝕磨損。為了真實模擬管道球閥密封面，選擇半球形試樣作為沖蝕試樣，如圖3所示，尺寸為?60 mm×4 mm。沖擊后的廢料可通過過濾裝置和控制閥排出。

在本試驗中，沖蝕角度可通過試件夾具調(diào)整，噴嘴到試件中心距離保持4 mm不變。在每次試驗前對試件進(jìn)行表面拋光處理，避免表面粗糙度的不同影響對沖蝕結(jié)果的判定。單次沖蝕測試周期設(shè)為120 min。在沖蝕試驗前、后利用高精度電子分析天平記錄試件質(zhì)量損失，并利用三維激光掃描儀獲取沖蝕坑深度信息。每次試驗獨(dú)立開展3次并取數(shù)據(jù)平均值。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和前期工作，氣固兩相流沖蝕速率主要取決于顆粒速度、顆粒尺寸和沖蝕角度。為了探究球閥密封面沖蝕磨損率和上述影響因素的關(guān)系，本文設(shè)置了33正交試驗工況，正交試驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。表1中編碼-1、0、1分別為參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，試驗輸出結(jié)果分別為靶材質(zhì)量損失量和壁厚減薄量。

圖1 氣固兩相沖蝕磨損試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas-solid two-phase erosion wear test

圖2 不同粒徑的顆粒SEM電鏡圖像Fig.2 SEM images of particles with different sizes

圖3 半球形試件和噴嘴實物圖Fig.3 Photo of hemispherical specimen and nozzle

表1 正交試驗參數(shù)設(shè)置Table 1 Orthogonal test parameter settings

1.2 統(tǒng)計分析

使用Statistica軟件進(jìn)行回歸分析、交互效應(yīng)分析、均值分析和響應(yīng)曲面分析，在參數(shù)優(yōu)化計算時，所使用的計算函數(shù)如式(1)所示。

f=w1(Es-Em)2+w2(Fs-Fm)2

(1)

式中：f為成本函數(shù)，w1和w2為權(quán)重，下標(biāo)m表示期望值，下標(biāo)s表示計算值，E是沖蝕造成的質(zhì)量損失量，F(xiàn)是沖蝕造成的壁厚減薄量。

2 模型檢驗

2.1 正態(tài)性檢驗

圖4顯示了計算殘差正態(tài)概率分布情況。由圖4可以看出，試件質(zhì)量損失量和壁厚減薄量的計算殘差結(jié)果可以擬合成直線，因此殘差呈良好的正態(tài)分布。

2.2 常數(shù)方差檢驗

圖5為計算殘差散點(diǎn)圖。由圖5可以看出，殘差散點(diǎn)較分散且呈隨機(jī)分布，因此計算模型較為理想，具有常數(shù)方差。

圖4 殘差正態(tài)概率圖Fig.4 Residual normal probability plot

圖5 殘差散點(diǎn)圖Fig.5 Residual scatter plot

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因素分析

圖6為影響試件質(zhì)量損失和壁厚減薄量的半正態(tài)概率圖。各影響因素如果存在異常值，則可認(rèn)為這些因素有效。由圖6可以看出，沖蝕角度的線性效應(yīng)和二次效應(yīng)、顆粒速度和顆粒粒徑的線性效應(yīng)對2個輸出結(jié)果都很顯著。此外，顆粒粒徑的二次效應(yīng)、顆粒速度和顆粒尺寸的相互作用、沖蝕角度和顆粒粒徑的相互作用都對靶材質(zhì)量損失量有較大的影響。

圖6 半正態(tài)概率圖Fig.6 Half-normal probability plot

不同影響因素下試件沖蝕磨損的變化曲線和響應(yīng)曲面分別如圖7和圖8所示。由圖7及圖8可看出：試件的質(zhì)量損失和壁厚減薄量都隨顆粒速度和顆粒粒徑的增大而增大；沖蝕角度對試件沖蝕磨損的影響為先增大后減小，試件質(zhì)量損失和壁厚減薄量的最大值和最小值分別發(fā)生在沖蝕角度30°和45°時。

圖7 不同影響因素下沖蝕磨損的變化曲線Fig.7 Variation curve of erosion wear under different influencing factors

圖8 不同影響因素下沖蝕磨損的變化響應(yīng)曲面Fig.8 The response surface of erosion wear under different influencing factors

3.2 回歸分析

為了預(yù)測試件沖蝕磨損，開展了多元線性回歸分析，得到試件沖蝕磨損(質(zhì)量損失量和壁厚減薄量)在3種影響因素下的回歸預(yù)測模型：

(2)

(3)

式中：下標(biāo)b表示壁厚損失，下標(biāo)z表示質(zhì)量損失，x1、x2和x3表示顆粒直徑、速度和沖蝕角度編碼值。

所建立的回歸預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果如圖9所示，其中對角線表示預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果一致。由圖9可以看出幾乎所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在對角線上，因此所建立的預(yù)測模型具有較高的準(zhǔn)確性。

圖9 回歸模型預(yù)測結(jié)果Fig.9 Regression model prediction results

4 討論與展望

沖蝕試驗和統(tǒng)計分析結(jié)果表明，顆粒速度和粒徑的增加會導(dǎo)致試件沖蝕磨損增加，這與之前普遍的研究[21]一致。此外，當(dāng)沖蝕角度達(dá)到30°時，會造成最嚴(yán)重的沖蝕磨損，進(jìn)一步驗證了Y.I.OKA等人的研究結(jié)果[15-16]。顆粒速度與顆粒粒徑之間的相互作用對試件壁厚影響不大，但對其質(zhì)量損失量影響較大。沖蝕角度的線性效應(yīng)和二次效應(yīng)對試件的沖蝕磨損都具有影響。

在未來的試驗研究中，應(yīng)控制顆粒形狀等因素，避免其影響試驗結(jié)果?？蛇x用形狀較為規(guī)則的玻璃砂作為磨料。針對下步工作，可以對石英砂和玻璃砂2種磨料進(jìn)行比較和測試，測試可以選用更為廣泛的沖蝕角度，進(jìn)而使建立的回歸預(yù)測模型更具穩(wěn)健性。在今后的研究中還應(yīng)進(jìn)行更廣泛的沖蝕磨損試驗，并將試驗結(jié)果與工程檢驗以及事故報告進(jìn)行比較，從而為預(yù)防球閥發(fā)生沖蝕磨損破壞提供參考。

5 結(jié) 論

(1)沖擊角度的二次效應(yīng)對試件壁厚減薄量的影響最大，顆粒粒徑的線性效應(yīng)對試件沖蝕質(zhì)量損失的影響最大。

(2)顆粒速度和粒徑的增大均會造成更大的沖蝕磨損，而當(dāng)沖蝕角度在30°時，會產(chǎn)生最大的沖蝕磨損。

(3)在天然氣輸送過程中，應(yīng)對天然氣進(jìn)行凈化并對其中的顆粒進(jìn)行過濾，使顆粒粒徑盡可能減??；同時，調(diào)整氣體的穩(wěn)定性，適當(dāng)降低流速，也可減少球閥密封面的沖蝕磨損。