水力壓裂工況高壓管匯沖蝕磨損研究進展及展望

高凱歌，劉銘剛，靳彥欣，李 勇，逄銘玉，王 雪，夏晞冉

(中石化安全工程研究院有限公司，山東 青島 266100)

0 前 言

沖蝕是指材料表面受到含有固體顆粒的流體沖擊而導(dǎo)致其表面材料磨損的現(xiàn)象[1-4]，是造成零部件損壞、設(shè)備失效的重要原因[5，6]。在石油與天然氣工業(yè)中，由于多相流沖蝕磨損導(dǎo)致的管線、設(shè)備損壞普遍存在[7，8]。相關(guān)統(tǒng)計表明，管道彎折處沖蝕磨損程度約為直管的50倍[9]，泥漿泵由于沖蝕磨損導(dǎo)致的損失率高達50%[10]。

水力壓裂施工中，壓裂液攜帶固相支撐劑在高壓管匯中高速流動，極易對彎管、分支管等部位的內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕損壞，由于壓裂施工中高壓管匯內(nèi)存在幾十乃至上百兆帕的波動壓力，一旦發(fā)生由于沖蝕磨損導(dǎo)致的刺漏、破裂，則極可能造成人員傷亡甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故后果[11，12]。壓裂過程中高壓管匯所處工況極為復(fù)雜，同時受多相流沖蝕、振動疲勞、超高內(nèi)壓等多種因素耦合作用[13，14]，且尚未形成系統(tǒng)的沖蝕磨損程度預(yù)測方法，但作為危害油氣田安全生產(chǎn)的重要因素，沖蝕磨損問題的試驗研究對優(yōu)化壓裂施工參數(shù)、優(yōu)選高性能抗沖蝕材料以及預(yù)測高壓管匯壽命具有重要意義。

1 高壓管匯材料沖蝕磨損理論

材料沖蝕是一種隨時間變化的現(xiàn)象，其作用機理尚未完全厘清，但一般認(rèn)為沖蝕是由“切削”和“變形”2種機制共同作用導(dǎo)致的[15-18]。目前，壓裂施工常使用30CrMo、42CrMo等高強度、高韌性的合金鋼作為高壓管匯材料，因此塑性材料沖蝕磨損理論更加適用于高壓管匯沖蝕問題的研究。

1.1 微切削理論

1958年，F(xiàn)innie[15]提出微切削理論，首次較為全面地闡述了固相顆粒以較小沖擊角度作用于不開裂、不變形的剛體時，通過斜向剪切力導(dǎo)致材料在變形強度不足的情況下產(chǎn)生塑性形變，顆粒撞擊并去除在材料表面凹痕周圍的碎屑，最終導(dǎo)致材料表面磨損。1960年，F(xiàn)innie[16]基于大量試驗數(shù)據(jù)提出了修正后的沖蝕磨損量的式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：V為靶材磨損體積，m3；K為粒子分?jǐn)?shù)，無量綱；m為固相顆粒質(zhì)量，kg；vs為顆粒沖擊速度，m/s；σy為靶材屈服強度，Pa；n為磨損體積對顆粒沖擊速度依賴度，無量綱；α為顆粒沖蝕角度，(°)；α0為臨界沖蝕角度，(°)

修正后的公式可與試驗數(shù)據(jù)較好契合，但由于考慮因素有限，導(dǎo)致其對顆粒沖擊角度較高工況的適用性不足，但微切削理論的提出對建立沖蝕磨損理論體系和試驗解釋方法具有重要意義。

1.2 變形磨損理論

1963年，Bitter[17]基于沖蝕過程能量平衡提出變形磨損理論，指出材料沖蝕磨損總量為變形磨損量和切削磨損量之和，計算高沖擊角度條件下以變形磨損為主導(dǎo)，低沖擊角度以切削磨損為主導(dǎo)。理論認(rèn)為，當(dāng)固相顆粒的沖擊力小于靶材屈服強度時僅會導(dǎo)致靶材彈性形變，當(dāng)沖擊力大于靶材屈服強度時則會導(dǎo)致彈性變形、塑性變形同時發(fā)生，而固相顆粒持續(xù)沖擊且沖擊力持續(xù)增大會導(dǎo)致靶材表面裂紋產(chǎn)生。變形磨損理論對塑性材料的沖蝕現(xiàn)象作出合理解釋，有利于分析沖蝕機理，但缺乏完善的物理模型支撐。

隨后，Clark等[18]在Finnie與Bitter的基礎(chǔ)上提出，單位時間內(nèi)的沖蝕總量為切削和變形磨損量之和，計算公式如(3)、(4)所示：

ET=EC+ED

(3)

(4)

式中：ET為靶材磨損總量，m3；EC為靶材切削量，m3；ED為靶材變形量，m3；MP為固相顆粒總質(zhì)量，kg；VN為固相顆粒法向速度，m/s；VT為固相顆粒切向速度，m/s；ε為變形沖蝕動能系數(shù)，無量綱；φ為切削沖蝕動能系數(shù)，無量綱；α為顆粒沖蝕角度，(°)。

1.3 二次沖蝕理論

1973年前后，Tilly[19]和Sheldon等[20]通過改變前期沖蝕理論將固相顆粒視為剛體的局限性，考慮顆粒在沖蝕過程中的破碎性，提出二次沖蝕理論。該理論采用高速攝影、電子顯微等技術(shù)研究并得出了固相顆粒破碎會對靶材沖蝕量造成一定影響的結(jié)論，認(rèn)為固相顆粒在質(zhì)量小、速度低的條件下僅會發(fā)生一次沖蝕，而當(dāng)固相顆粒質(zhì)量和速度足夠時，由于撞擊后的粒子破碎現(xiàn)象，會對靶材產(chǎn)生二次沖蝕效應(yīng)。

1.4 鍛造擠壓理論

1981年，Bellman等[21]采用失重法測定靶材沖蝕率發(fā)現(xiàn)，少量顆粒沖擊后的靶材不會出現(xiàn)失重，為解釋此種現(xiàn)象提出鍛造擠壓理論。該理論認(rèn)為，固相顆粒在整個沖蝕過程中不斷撞擊靶材表面造成磨損，但最初僅會在靶材表面沖擊產(chǎn)生凹坑和凸起的唇片，而沖擊能量并不足以使唇片脫落，隨著固相顆粒的不斷撞擊，唇片會逐漸脫落，最終產(chǎn)生失重現(xiàn)象。

2 材料沖蝕磨損試驗裝置

通過研究，國內(nèi)外學(xué)者建立了多種針對單一工況的材料沖蝕磨損理論，但對復(fù)雜工程條件下材料的沖蝕磨損機理缺乏直觀認(rèn)識。20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者開始設(shè)計相關(guān)試驗裝置并開展了大量材料沖蝕磨損試驗研究，用于驗證現(xiàn)有材料沖蝕磨損理論的科學(xué)性，進一步厘清復(fù)雜工況下材料沖蝕磨損機理和規(guī)律，以推進高壓管匯材料沖蝕磨損領(lǐng)域發(fā)展。目前，主流的材料沖蝕磨損試驗裝置主要分為旋轉(zhuǎn)式、噴射式和管流式[22]。

2.1 旋轉(zhuǎn)式試驗裝置

1992年，Cupta等[23]設(shè)計制造了首臺旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗儀器，Cupta設(shè)計制造的旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗儀器[23]如圖1所示，主體由圓柱形腔室、轉(zhuǎn)臂、軸承組、電機等部件組成，試驗前將腔室中的固相顆粒與液相充分混合，使其處于懸浮狀態(tài)，隨后將靶件安裝在轉(zhuǎn)臂上，試驗時電機轉(zhuǎn)動并帶動轉(zhuǎn)臂和靶件在砂漿中高速運動，通過固體顆粒的碰撞和砂漿的沖刷導(dǎo)致靶件表面材料損失，主要用于研究不同固相濃度條件下材料的的沖蝕磨損規(guī)律。此后，國內(nèi)外學(xué)者[24-29]相繼在該試驗裝置的基礎(chǔ)上作出改進，并在噴射速度、沖擊角度、固相粒徑等影響因素及沖蝕磨損機理研究方面取得較大進展。其中，Desale等[24]改進旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗儀器見圖2。

圖1 Cupta設(shè)計制造的旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗儀器[23](長度單位：mm)

圖2 Desale等改進的旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗儀器[24](長度單位：mm)

旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗裝置由于具有結(jié)構(gòu)簡單、試驗周期短等優(yōu)點，曾在沖蝕磨損研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其存在轉(zhuǎn)速較低且不精確、沖擊角度難以定量控制的弊端，同時由于其靶件轉(zhuǎn)動撞擊固相顆粒的損傷原理，導(dǎo)致其并不適用于高壓管匯沖蝕磨損研究。

2.2 噴射式試驗裝置

1990年，Hutchings等[30]設(shè)計了噴射式?jīng)_蝕試驗裝置，液相在泵的驅(qū)動下在管路內(nèi)流動，當(dāng)流體通過噴嘴腔時利用文丘里效應(yīng)將固相顆粒吸入并混合均勻，隨后通過噴嘴以一定的速度沖擊靶件表面完成沖蝕磨損。該裝置可以精確控制多相流體噴射速度和沖擊角度等參數(shù)，同時配合電化學(xué)、聲發(fā)射等測試技術(shù)深入分析沖蝕機理及過程，但存在固相顆粒的含量無法實現(xiàn)精確控制、最高噴射速度不高的缺陷。隨后，經(jīng)過不斷改進[31-33]，逐漸實現(xiàn)了對噴射速度、沖蝕角度、含砂量等參數(shù)的精確控制。其中，Stack等[33]設(shè)計制造的基于Hutchings改進版噴射式?jīng)_蝕裝置如圖3所示。

圖3 基于Hutchings改進版噴射式?jīng)_蝕裝置[33]

2009年，姜勝利等[34]設(shè)計制造的高溫高速沖蝕試驗裝置示意見圖4，該裝置通過采用凸輪泵解決了介質(zhì)輸送過程產(chǎn)生脈沖的難題，同時利用儲液槽底部回流噴射實現(xiàn)了固相顆粒持續(xù)懸浮，可適用于惡劣工況條件下的沖蝕磨損模擬研究。目前，噴射式試驗裝置已逐漸成為國內(nèi)外研究機構(gòu)進行沖蝕磨損試驗研究的最主流儀器。

圖4 改進噴射式?jīng)_蝕裝置[34]

2.3 環(huán)路式試驗裝置

1988年，Steward[35]結(jié)合Bikbaev等[36，37]、Blanchard等[38]的研究經(jīng)驗及成果，提出了一種環(huán)路式?jīng)_蝕試驗裝置，該裝置示意如圖5所示，主要由儲漿罐、離心泵、靶件架、噴嘴和換熱器組成，可以模擬與實際管路相似的多相流動條件，且可在相同試驗條件下比較與噴射式?jīng)_蝕試驗結(jié)果的區(qū)別。此后，眾多學(xué)者[39-42]利用原版或改進后的環(huán)路式試驗裝置對不同工況條件下直管、彎管、變徑處的沖蝕磨損規(guī)律進行研究，得出了固相含量、顆粒性質(zhì)、流速、管道曲率等多種因素對沖蝕的影響程度，并相繼開發(fā)了相關(guān)的物理或經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其中，Wood等[42]設(shè)計制造的環(huán)路式?jīng)_蝕裝置示意見圖6。

圖5 Steward設(shè)計的版環(huán)路式?jīng)_蝕裝置[35]

圖6 Wood設(shè)計的版環(huán)路式?jīng)_蝕裝置[42]

環(huán)路式?jīng)_蝕試驗裝置通過介質(zhì)管流對與內(nèi)壁貼合的試件進行沖擊，是目前模擬低壓管道沖蝕磨損的重要方法，具有試驗參數(shù)容易控制、可模擬多種流態(tài)并進行深入理論分析等優(yōu)點，但存在試驗裝置占用空間多、試驗周期長等缺陷，且對惡劣工況下管道沖蝕磨損研究適用性不強。

綜上所述，高壓管匯沖蝕磨損是由于水力壓裂工況下高速、高壓流體攜帶固相顆粒撞擊管匯內(nèi)壁導(dǎo)致的，必須選取合適的沖蝕磨損試驗裝置進行研究。相對于旋轉(zhuǎn)式、環(huán)路式試驗裝置，噴射式裝置可實現(xiàn)在高溫、高壓、高湍流條件下對沖蝕介質(zhì)、噴射速度、沖蝕時間等因素的模擬，同時結(jié)合流體力學(xué)模型模擬技術(shù)，可深入研究復(fù)雜工況下材料沖蝕機理及過程。因此，噴射式?jīng)_蝕磨損試驗裝置是目前最適用于水力壓裂工況下高壓管匯沖蝕磨損研究的儀器。

3 水力壓裂工況下沖蝕磨損的影響因素

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)有的材料沖蝕磨損理論及試驗研究中考慮的影響因素共計30種，其中包括18種在試驗研究中的定量參數(shù)(如圖7所示)，且出現(xiàn)頻率最高的參數(shù)包括：噴射速度(本文參考的文獻中出現(xiàn)次數(shù)為44次)、沖蝕角度(32次)、固相顆粒含量(15次)[43]。結(jié)合水力壓裂工況，目前主要圍繞噴射速度、沖蝕角度、固相含量、內(nèi)壓載荷等主要因素對材料沖蝕率或失重量的影響規(guī)律展開研究。

圖7 沖蝕磨損試驗結(jié)果影響因素[43]

3.1 噴射速度

沖蝕磨損的核心原因是固相顆粒撞擊導(dǎo)致的材料損失，因此噴射速度是影響沖蝕磨損規(guī)律最重要的因素之一，直接關(guān)系到管線、設(shè)備的使用壽命。Hu等[44]對UNS S31603、UNS S32654合金的沖蝕磨損研究表明，噴射速度為4 m/s時固相顆粒不會對靶材造成明顯損傷，而噴射速度為7 m/s時固相顆粒的剪切作用明顯，會導(dǎo)致靶材表面嚴(yán)重?fù)p傷。Mori等[45]研究S31803、S42000和N08028鋼的沖蝕磨損規(guī)律發(fā)現(xiàn)，噴射速度對靶材沖蝕磨損存在臨界值，當(dāng)噴射速度大于臨界值后靶材失重量顯著增加。張繼信等[46-48]對高壓管匯用30CrMo、42CrMo合金鋼進行定角度沖蝕磨損研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射速度小于7 m/s時，靶材的沖蝕磨損量較小，而當(dāng)噴射速度大于10 m/s時，由于固相顆粒沖擊能量高，速度的水平分量大，可以在靶材表面劃過較長距離并導(dǎo)致靶材表面嚴(yán)重破壞，因此噴射速度對靶材磨損失重量具有顯著影響，二者呈一定的指數(shù)關(guān)系。楊向前等[49]系統(tǒng)研究了35CrMo合金鋼在噴射速度為20～45 m/s條件下的沖蝕率發(fā)現(xiàn)，35CrMo合金鋼的沖蝕率隨噴射速度增加呈指數(shù)關(guān)系增大，并通過擬合得到二者的定量公式。趙彥玲等[50]、馬文海等[51]、張福祥等[52]也分別以316不銹鋼、P110以及超級13Cr合金為對象開展研究，研究結(jié)果均表明噴射速度對沖蝕磨損量具有顯著的正相關(guān)效應(yīng)，但由于靶材及沖蝕介質(zhì)等其他條件不同導(dǎo)致臨界噴射速度略有差別。

3.2 沖擊角度

通常認(rèn)為，固相顆粒入射方向與靶件表面的夾角為沖擊角度。當(dāng)流體攜帶顆粒撞擊靶件表面時，其作用效果將分為水平剪切力和垂向正應(yīng)力并分別導(dǎo)致靶材表面切削和變形損失。Tang等[53]通過研究不同角度對于API X65鋼的沖蝕磨損影響時發(fā)現(xiàn)，靶材磨損失重量隨沖擊角度變化明顯，并分別在45°、70°和90°時周期性出現(xiàn)失重極值。當(dāng)沖擊角度較小時，水平剪切力導(dǎo)致的切削作用起主導(dǎo)作用，當(dāng)達到臨界角度時，剪切力和正應(yīng)力交互作用并出現(xiàn)沖蝕磨損失重極值，隨后垂直正應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)并直至下個臨界角度出現(xiàn)。Burstein等[54]研究沖擊角度對304L不銹鋼沖蝕失重的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，靶件在沖擊角度為40°時出現(xiàn)失重峰值，而在90°時并未再次出現(xiàn)峰值，分析認(rèn)為是由于90°時固相顆粒正向沖擊導(dǎo)致鈍化膜與靶材表面緊密貼合，起到一定保護效果。Zhang等[55]在對3003鋁合金進行沖蝕磨損研究時也得到了類似結(jié)果。王治國等[56]、竇益華等[57]研究發(fā)現(xiàn)，超級13Cr的沖蝕速率在沖擊角度為30°時達到峰值，隨后逐漸下降，并在沖擊角度為90°時降至谷值，分析發(fā)現(xiàn)沖擊角度較小時靶材表面出現(xiàn)較深的切削犁溝，在沖擊角度較大時靶材表面產(chǎn)生微裂縫。孟杏等[58]、劉成龍等[59]、孫麗麗[60]研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊角度下靶材表面沖蝕形貌以行程長的犁溝為主，隨著沖擊角度增大，固相顆粒的水平剪切力降低，在靶件表面停留時間縮短，導(dǎo)致靶件表面犁溝數(shù)量減少且長度降低，并開始出現(xiàn)沖擊鍛造導(dǎo)致的凹坑形態(tài)，直至沖擊角度達到90°時，沖蝕形態(tài)以凹坑為主，幾乎不存在犁溝。

3.3 固相含量

固相含量是影響靶件沖蝕速率的重要因素之一。黃小兵等[61]研究發(fā)現(xiàn)，靶材的沖蝕速率隨著固相含量增大而逐漸增加，二者之間無法用簡單的線性關(guān)系予以描述。Hu等[44]、Neville等[62]研究UNS S31603、UNS S32654合金的沖蝕磨損時等發(fā)現(xiàn)，隨著固相含量增加，靶材失重逐漸非線性增大，且靶材失重在固相含量為200 g/L時達到峰值，但失重量隨著固相含量增加而明顯降低，這是由于固相含量超過臨界值后，其顆粒間的相互碰撞、反彈會產(chǎn)生“屏蔽效應(yīng)”，反而降低沖擊能量并間接對靶材產(chǎn)生保護作用。屈文濤等[63]利用噴射式?jīng)_蝕試驗裝置對20Cr沖蝕磨損的研究表明，靶材失重隨固相含量增大而顯著增加，當(dāng)固相含量為25 kg/m3時靶材失重達到峰值，當(dāng)固相含量高于25 kg/m3時，靶材失重逐漸降低并最終穩(wěn)定。楊向同等[64]和高文祥等[65]對于固相含量對靶材沖蝕失重影響的研究結(jié)果與屈文濤等[63]的結(jié)論一致，即固相含量為25 kg/m3時靶材沖蝕速率最高。同時，高文祥等[65]試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固相含量為50 kg/m3時靶材沖蝕速率最低，此后沖蝕速率隨固相含量增加而緩慢增大。

3.4 內(nèi)壓載荷

在水力壓裂施工過程中，高壓管匯作為地面設(shè)備的重要組成，在承受高速壓裂液攜帶支撐劑對內(nèi)壁造成的沖蝕磨損的同時，還長時間承受幾十乃至上百兆帕的內(nèi)壓載荷。因此，內(nèi)壓載荷也是高壓管匯沖蝕磨損規(guī)律的重要影響因素。國內(nèi)外目前建有的噴射式試驗裝置中，僅有Zhang等[11，12]、王虹富等[66]設(shè)計的噴射型沖蝕磨損試驗機考慮對內(nèi)壓載荷進行模擬，該試驗機通過對靶件加載單向拉應(yīng)力，以此模擬受內(nèi)壓管段的局部軸向應(yīng)力，隨后對載荷條件下的靶件進行沖蝕磨損研究；依據(jù)薄壁圓筒理論，靶件單向受載無法實現(xiàn)對高壓管匯內(nèi)壓載荷的模擬，且試驗并未將內(nèi)壓載荷作為變量納入靶材的沖蝕磨損規(guī)律研究中。

4 結(jié)束語

目前，針對水力壓裂工況下的高壓管匯沖蝕磨損研究，主要集中于使用噴射式?jīng)_蝕試驗裝置對試件進行抗沖蝕性能評價，并得出流體噴射速度、顆粒沖擊角度、固相含量等因素對靶材沖蝕磨損規(guī)律的影響。然而，針對上述研究仍存在以下問題：

(1)噴射式?jīng)_蝕磨損試驗裝置是目前最常見的水力壓裂工況下高壓管匯沖蝕磨損研究儀器，但絕大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者在研究過程中僅對多相流動工況進行模擬，忽略了高壓管匯內(nèi)壓載荷、振動疲勞等工況的耦合作用，導(dǎo)致模擬情況與實際復(fù)雜工況差別較大。需在后續(xù)試驗中增加力學(xué)工況的模擬；

(2)水力壓裂作業(yè)中，壓裂液攜帶固相支撐劑在高壓管匯中高速流動，而噴射式?jīng)_蝕試驗裝置中攜帶固相顆粒的流體在空氣中撞擊靶件，無法模擬管道中的液相淹沒式?jīng)_蝕。因此，高速噴射式裝置與高壓環(huán)路式裝置配合使用將成為未來的研究趨勢；

(3)彎管是高壓管匯中沖蝕磨損最嚴(yán)重的部位，但其在高砂比、大排量、高內(nèi)壓條件下的沖蝕行為及機理研究相對較少，有必要對耦合工況下彎管不同位置的沖蝕磨損規(guī)律及機理進行深入研究，為此后壓裂用高壓管匯沖蝕磨損實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。