页岩气压裂双弯头弯管冲蚀规律研究

为研究页岩气压裂双弯头弯管的冲蚀规律,基于液-固两相流模型和冲蚀理论建立双弯头弯管冲蚀模型,研究典型工况参数、双弯头弯管结构参数对双弯头弯管冲蚀速率的影响。研究表明:最大冲蚀速率发生在压裂液首先流经的第一个弯头外拱内壁后半部分,第二个弯头冲蚀区域前移且冲蚀区域增大;双弯头弯管的最大冲蚀速率,随压裂液流体速度、支撑剂颗粒体积分数的增加均增大,随着支撑剂颗粒粒径、双弯头弯管曲率半径的增大均减小;双弯头弯管上弯头与下弯头装配转角为20°~40°时,双弯头弯管的最大冲蚀速率较大。     

基于CFD数值模拟的异面三通管冲蚀磨损规律研究*

针对管道在输送过程中,由流体中固态颗粒产生的冲蚀磨损导致的失效问题,通过CFD-DPM模型开展关于不同流速、颗粒直径、含砂体积比和异面管夹角对异面三通冲蚀磨损性能影响的分析。结果表明：三管交汇处的弯面是管道主要发生冲蚀磨损的位置,水平两管弯头上侧管壁处是受损最为严重的部位;在流速2~10 m/s、含砂体积比1%~9%、异面管夹角90°~150°、颗粒直径0.1~0.5 mm时,管道的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下,含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,高流速下,最大冲蚀率与含砂体积比呈线性正相关;异面管夹角的增大降低了管道对固体颗粒的流动约束性,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随颗粒直径的增大整体呈现平缓上升的趋势,大颗粒产生的冲蚀破坏相比小颗粒更为集中一些。     

带障碍90°方形弯管气固两相流冲蚀失效分析

为了研究固体颗粒属性及流场作用对输气管道冲蚀磨损的影响规律,建立了带障碍90°输气管道物理模型,利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对不同的入口流速、不同的颗粒质量流量、不同颗粒粒径、不同颗粒形状系数进行了数值模拟分析。结果显示:流体入口流速从10 m/s增加到20 m/s时,弯管冲蚀速率一直增大;颗粒质量流量增大时,弯管冲蚀速率也随之增大,呈正相关关系;颗粒质量流量一定时,随着颗粒粒径增大,弯管冲蚀速率呈先减小后增大的趋势;颗粒形状从接近于圆形逐渐变尖锐(形状系数从1逐渐变小)的过程中,弯管冲蚀速率逐渐增大。     

异面三通管冲蚀磨损的数值模拟研究

在管道输送过程中,油品中夹带的微小固体颗粒会对管道壁面产生冲蚀磨损。采用DPM冲蚀预测模型,模拟在不同流速、不同颗粒直径、不同质量流量下管道的冲蚀分布规律,预测异面三通管中受冲蚀磨损比较严重的区域。结果表明:固体颗粒对异面三通管的冲蚀主要集中在三管交汇处的弯面、水平管段的上侧管壁以及两水平管的交汇处,对管道弯头底部的冲蚀较小;管道的最大冲蚀率随流体入口速度的增大呈指数增长;管道的最大冲蚀率随颗粒直径的增大开始时缓慢增大,当颗粒直径增大到一定值时管道的最大冲蚀率随之呈线性增长趋势;管道的最大冲蚀率随着颗粒的质量流量的增大且呈线性增长。     

天然气集输管道90°弯头冲蚀磨损规律研究

针对输气管道中90°弯头冲蚀磨损失效的问题,依据现场实际工况,利用CFD仿真软件建立相应的模型,探究集输管道输送气固两相流介质时固体颗粒冲击弯头壁面的冲蚀磨损规律。采用RNG k-ε湍流模型、DPM模型和E/CRC冲蚀磨损模型研究集输压力、不同重力方向、集输流速、集输管径以及颗粒大小对弯头冲蚀磨损的影响。结果表明:集输压力越大,弯头冲蚀磨损程度减轻,且磨损区域呈现由中部向出口、由外侧向内侧凹曲面移动的现象;重力会影响弯头冲蚀磨损程度以及磨损区域,重力场和气相主流场趋势相同时会加剧磨损;当气流速度超过临界集输流速时,冲蚀磨损情况加剧且最大磨损率出现区域后移;集输管径越小、颗粒直径越大时,冲蚀磨损越严重。     

钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性

针对石油钻井过程中,由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题,采用CFD-DPM模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究,探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明：旋流器内壁磨损呈螺旋状,锥段处磨损率随着半径的减小而增大,底流口处是受损最为严重的部位;在流速5～15 m/s、含砂体积比1%～9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度,使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势,随着流动性指数的增大而急速下降,流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。     

压裂双弯头液固两相流冲蚀影响数值分析

在水力压裂过程中,地面高压管汇受管内携砂压裂液的复杂流动影响,长期承受着严峻的冲蚀破坏。在各类高压管汇构件中,弯管的冲蚀损伤最为严重。为改善压裂双弯头冲蚀磨损状况,采用DPM模型、RNG k-ε湍流模型,综合分析了斯托克斯数(St)、重力方向、粒径及流速对串联双弯头冲蚀磨损的影响。结果表明：冲蚀磨损区域主要由St和重力方向共同决定;St<1时,最大冲蚀率随颗粒尺寸增大呈线性增加,St>1时呈指数增长;St相同时,速度对冲蚀磨损程度的影响远比颗粒尺寸强烈;向下流重力方向下,损伤区域随St增加完全转移至第二弯头的临界粒径显著小于向上流临界粒径;重力方向对同向冲击颗粒的冲蚀损伤虽有增强效应,其对冲蚀磨损程度影响远不及颗粒尺寸因素作用大。     

水平弯管盐泥流动磨损仿真分析

盐泥为工业制盐流程中卤水净化工艺后产物，盐泥随意排放不仅污染环境，也会对资源造成极大浪费，需对盐泥进行无害化资源化处理。盐泥为固液两相流流体，对盐泥的无害化资源化处理需要管路的输送，为了探究盐泥在弯管中流动时对管道的冲蚀磨损速率，利用Fluent仿真软件对其进行分析。选用RNG k-?湍流模型和DPM模型，盐泥对弯管的冲蚀模型和颗粒碰撞恢复模型采用E/CRC冲蚀磨损模型和Grant and Tabaoff壁面碰撞恢复函数，考虑液固两相之间的耦合，对盐泥在水平弯管中的流动进行研究。研究结果表明：盐泥对水平弯管弯头压力分布场呈现为外侧压力大、内侧压力小，而速度分布场则与压力场恰好相反。盐泥颗粒与弯管内壁发生首次碰撞的部位在弯头外侧的出口段，一些颗粒还会发生多次碰撞。弯管内壁存在冲蚀磨损弯，弯头外侧磨损速率显著大于弯头内侧，而且磨损最严重的部位发生在弯头出口20°附近。     

空间Z形管路液-固两相流冲蚀特性分析

空间Z形管路是油气开采过程典型的结构形式,在工程作业中受到高压高速液-固两相流的作用,容易导致管路系统产生冲蚀磨损失效。基于液-固两相流冲蚀磨损理论,选取合适的冲蚀磨损理论模型,讨论了流速、颗粒直径、质量流量、黏度以及重力等不同流体参数对管路系统弯头处的冲蚀磨损情况。结果表明:管路弯头处的冲蚀区域受内流场的影响存在明显差异,出口端弯头处的最大冲蚀率大于进口端弯管端。流速、颗粒直径、质量流量与整体管路最大冲蚀率呈正相关关系,黏度与整体管路最大冲蚀率呈负相关关系。分析了不同工况下空间Z形管路的冲蚀特性,获得了流体参数对管路冲蚀的影响规律,为工程实际复杂管路系统冲蚀磨损寿命预测提供技术参考。     

气固两相流管道冲蚀规律研究

冲蚀是造成管壁减薄和穿孔的重要原因之一,为此采用FLUENT软件建立了气固两相流管道冲蚀模型。通过模拟计算,明确了气固两相流管道受冲蚀最严重部位,分析了气固两相流管道最大冲蚀率和颗粒沉积密度随气体流量、固体量和压力的变化规律,并针对管道冲蚀最严重部位提出了结构优化措施。结果表明:1)阀后弯管是冲蚀最严重部位。2)最大冲蚀率和颗粒沉积密度随气体流量、固体量和调节阀开度的变化规律分别是,随着气体流量增加,最大冲蚀速率增大,颗粒沉积密度减小;随着压力升高,最大冲蚀速率减小,颗粒沉积密度增大;随着固体量增加,最大冲蚀速率增大,颗粒沉积密度增大。3)将阀后弯管改为盲三通结构可有效降低管道冲蚀率。     

基于ANSYS Workbench的天然气渐扩管冲蚀磨损仿真模拟

为了研究含砂天然气集输管道渐扩管的冲蚀磨损现象。运用ANSYS软件建立渐扩管流场的Euler多相流、流固耦合及冲蚀模型,分析渐扩管的应力分布、流动特性及冲蚀效果,并与突扩管进行比较;通过改变管道入口流速、颗粒粒径、颗粒质量流率等参数,对渐扩管流场特性及冲蚀规律进行分析。结果表明,渐扩管应力集中在喉部及出口管段内壁面,冲蚀区域集中在出口管段下表面及出口处,出口管段冲蚀区域呈“椭圆形”,出口处冲蚀区域呈“U”形;突扩管应力集中在进口管段与出口管段交界处的上壁面,冲蚀区域位于进口管段;渐扩管冲蚀速率随入口流速增加先增大后减小再增大,随颗粒粒径的增加先增大后减小最终趋于稳定,随颗粒质量流率增加呈线性增长;相同条件下,突扩管最大等效应力是渐扩管的1.73倍,变形位移是渐扩管的1.77倍,而渐扩管冲蚀较为严重,最大冲蚀速率是突扩管的1.7倍。     

仿生弯管的冲蚀磨损分析

为研究弯管的抗冲蚀磨损性能,仿照扇贝表面建立不同仿生弯管模型,根据流体动力学和冲蚀磨损原理,借助Fluent流体计算软件对不同模型进行仿真模拟。研究表明:在相同边界条件下,正常弯管的冲蚀面积以及速率最大,仿生弯管的冲蚀面积随着仿生肋条的偏心距离增大而减小,冲蚀速率随着仿生肋条的偏心距离增大而增大。     

固体颗粒对水力旋流器冲蚀磨损特性的影响

针对工业污水处理系统中水力旋流器壁面的冲蚀磨损问题,采用FLUENT软件中RSM模型和DPM模型模拟水力旋流器内液、固两相流的流动情况,并以Grant和Tabakoff碰撞模型求解器壁冲蚀磨损速率。研究了不同颗粒流速、粒径和质量流量条件下器壁冲蚀磨损规律以及最大冲蚀磨损位置。结果表明:旋流器壁面最大冲蚀磨损率随着颗粒流速的增大而呈指数递增,与质量流量呈正相关关系,但与颗粒粒径呈不完全线性增长关系;旋流器壁面冲蚀磨损率随着颗粒流速、粒径和质量流量的改变而不同,其中颗粒流速变化的影响最大、质量流量次之、粒径的影响最小;固体颗粒碰撞和磨削旋流器壁面而引起局部磨损,并且影响最大冲蚀磨损区域的出现位置。     

混合粒径固体颗粒对滑套球座冲蚀磨损的影响

随着超长水平井施工排量和加砂量的不断增加,滑套球座冲蚀磨损日益严重。目前对液固两相流冲蚀磨损的研究较多,但均未考虑混合粒径固体颗粒对冲蚀磨损的影响。研究不同粒径混合的支撑剂对球座的冲蚀磨损,基于欧拉双流体理论,运用Fluent软件对混合粒径固体颗粒对滑套球座的冲蚀磨损进行数值模拟。结果表明：混合粒径固体颗粒与单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损规律有所不同,单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率随着粒径的增大而减小;混合粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率不仅和支撑剂粒径有关,而且和不同粒径固体颗粒的比例有关,即冲蚀磨损速率随混合固体颗粒中小粒径固体颗粒比例的增大而表现出先减小后增大的趋势。模拟结果为水平井分段压裂材料的选择提供了依据。     

结构参数对压裂双弯头冲蚀及流致变形的影响*

双弯头管汇是水力压裂地面高压管汇系统中的关键部件,由于高压大排量携砂压裂液在其中多次强制转向,双弯头管汇长期遭受着严重的冲蚀磨损和流致变形。为改善管件冲蚀磨损状态,从管汇结构参数的角度研究其对冲蚀率的影响。采用计算流体力学(CFD)数值模拟,结合离散相模型(DPM)和流固耦合(FSI)方法,对双弯头结构管汇在工况条件下的流致冲蚀和变形情况进行综合分析,研究双弯头结构参数,如连接直管长度、管道内径及弯头间连接角度对冲蚀和变形的影响。结果表明:随着连接直管长度增加,冲蚀率先减小后变化不大,而结构变形程度逐渐增大,综合考虑冲蚀磨损和结构变形,双弯头之间的连接直管长度宜设计为管道外径的4倍;大口径管道的冲蚀磨损程度更低,但会带来更大的变形,因此双弯头管汇的管内径不宜过大或过小;当2个弯头间的连接角度为0°时,冲蚀和变形程度达到最小。     

考虑载荷模拟作用的高压弯头冲蚀数值仿真

在水力压裂过程中,地面高压管汇在管内复杂固液两相流冲击和管体恶劣载荷的耦合作用下,弯头、三通及接头等薄弱部件长期遭受严重的冲蚀磨损,极易导致管件发生断裂破坏,对现场人员及设备构成严重威胁。开展载荷作用下的高压管汇典型材料冲蚀磨损试验,根据试验结果,基于E/CRC冲蚀模型构建一种考虑应力状态影响的新型冲蚀数学模型,所构建的新模型与冲蚀试验数据之间的准确度可达95%以上。采用计算流体力学离散相模型（CFD-DPM）,开展高压管汇件冲蚀性能的三维数值模拟,考察高压弯头在不同压裂工况下的冲蚀磨损程度及空间分布情况。结果表明：在固液两相流冲击下,主要冲蚀区位于靠近弯头出口处的弯头外侧,且管件的最大冲蚀率也位于该处;在弯头内侧二次流涡流的影响下,部分颗粒在流经弯头后会在下游直管内侧积聚,从而在这个区域造成次要冲蚀区;随着流动颗粒斯托克斯系数增加,主要冲蚀区面积增大,次要冲蚀区面积减小;此外,在嵌入新型冲蚀数学模型后,可观察到随着操作压力增大,高压管汇弯头部位的冲蚀磨损率明显增加。     

泥浆射流泵冲蚀磨损特性

为了研究泥浆射流泵的冲蚀磨损特性,基于欧拉-拉格朗日方法对泥浆射流泵内部的固液两相流动开展了数值模拟,重点对泥浆射流泵内部液固两相流的冲蚀磨损规律进行了研究。结果表明：泥浆射流泵喉管进口和喉管中后段是产生冲蚀磨损的主要部位,吸入室和扩散管未产生明显冲蚀磨损。颗粒质量流量从1 kg/s增大到1.8 kg/s时,泥浆射流泵最大冲蚀速率增大了93.7%;泥浆流速从2 m/s增大到5 m/s时,最大冲蚀速率增大了11.48倍;颗粒直径从200μm增大到450μm时,最大冲蚀速率先减小后增大。相较于颗粒质量流量和颗粒直径,泥浆流速对射流泵内表面的冲蚀磨损影响更大,但产生冲蚀磨损的主要部位不会随泥浆流速、颗粒质量流量和颗粒直径发生明显改变。研究成果可为射流泵的设计提供参考。     

拉应力作用下冲蚀速度对35CrMo钢冲蚀磨损行为的影响

研究拉应力作用下冲蚀速度对35CrMo钢冲蚀磨损行为的影响。采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机,模拟管汇承受105 MPa应力,在30°冲蚀角度下,用携砂液对试样进行冲刷试验,研究携砂液冲蚀速度对冲蚀磨损的影响,并使用扫描电子显微镜(SEM)对试验后试样表面形貌进行分析。试验结果表明,在拉伸应力105 MPa和冲蚀角度30°下,在携砂液总量一定的情况下,随着冲蚀速度的增加,35CrMo钢的冲蚀磨损量呈指数形式增加;冲蚀坑深度随着冲蚀速度的增加而增大;不同冲蚀速度下35CrMo钢冲蚀磨损机制相同,主要为切削磨损。     

异径弯管的无力矩环向应力解析解

提出以异径管单位高度（长度）的直径变化程度作为反映异径管结构特征的无因次量，并定义为异径系数。根据异径弯管横截面管径随经向弯角而变化及其锥形结构的两个特点，推导了内压作用下异径弯管无力矩环向应力武，最大环向应力位于大端内侧。该武可以作为工程中常见回转壳无力矩环向应力式的任意条件式，等径弯管、直管及异径直管的环向应力公式均是异径弯管环向应力武的一个特定条件的特例，本质上这些公式均是环向应力的薄膜解。计算环向薄膜应力时，一般来说．工程中各种鼻径管与连接直管之间的边缘应力可以忽略。     

固液两相流泵叶轮用Cr26高铬铸铁的冲蚀率模型及影响因素

采用正交试验方法对Cr26高铬铸铁进行了冲蚀试验,基于冲蚀率理论计算模型对试验数据进行多元非线性回归,得到了Cr26高铬铸铁的冲蚀率计算模型并进行了验证;通过试验和模型计算对冲蚀率随其影响因素的变化规律进行了定量描述。结果表明:所建立的Cr26高铬铸铁冲蚀率计算模型具有较高的准确性;冲蚀率随冲蚀角度的增大先增大后减小再略微增大,最大冲蚀率出现在冲蚀角度40°附近,在低冲蚀角度下磨损形式以切削磨损为主,在高冲蚀角度下磨损形式以变形磨损为主;随着固体颗粒粒径的增大,冲蚀率增大,切削磨损占比增大,变形磨损占比减小;随着冲蚀速度的增加,切削磨损占比减小,变形磨损占比增大。