颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响研究

本文采用模拟方法研究颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响,发现管道弯头外侧是冲蚀磨损最严重的区域,且远离入口的弯头所受到的磨损较为严重。随着颗粒直径增加,弯头平均冲蚀磨损速率也随之增加,靠近入口的弯头所受到的最大冲蚀磨损速率也随之变大,远离入口的弯头最大冲蚀磨损速率则减小;随着颗粒质量流量增加,弯头壁面最大冲蚀磨损速率和平均冲蚀磨损速率均有所增加,而颗粒形状越接近于球形,则弯头所受到的冲蚀磨损就越小。     

基于Fluent的天然气运输管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究

针对天然气运输管道的典型弯道冲蚀问题,依据现场实际生产情况,基于Fluent流体模拟软件建立相应的物理模型,选用standard k-ε模型、DPM离散相模型和冲蚀速率方程,分析讨论了固体颗粒直径、气体流速以及弯管角度对弯管冲蚀磨损的影响规律。结果显示:流体流速越快,颗粒对弯道的冲蚀越明显,流速与冲蚀率呈正相关;在同一流速下,随着颗粒粒径的增大,冲蚀率逐渐减小,最后趋于稳定;不同角度的弯头受到的侵蚀是不同的,应根据现场操作环境的差异,设计合适角度的弯头。模拟分析结果表明,天然气流速和固体颗粒直径是影响管道弯头冲蚀率的主要因素,并根据模拟结果提出了冲蚀防控措施。     

天然气携砂气固两相流在弯管处冲蚀磨损分析

为了研究固体颗粒参数及弯管结构参数变化条件下弯管的冲蚀规律及最大冲蚀位置,基于CFD软件Fluent对弯管进行了网格无关性分析和入口段长度分析来确定最佳分析模型,选用Oka冲蚀模型和Forder壁面恢复模型计算弯管冲蚀,研究了颗粒直径和管径比对弯管最大冲蚀位置的影响。分析结果表明:颗粒速度对冲蚀速率的影响较大,二者呈指数关系,冲蚀速率随质量流量的增加比较均匀,当颗粒直径达到一定大小后,冲蚀速率增加较慢;管道直径和管径增大均会减小弯管的冲蚀速率,管径比对冲蚀速率的影响较大,二者呈现指数关系;颗粒直径基本不影响最大冲蚀位置,而最大冲蚀角度随着管径比的增大而减小。所得结果对管道设计及工程实际安全运营具有一定的指导作用。     

基于气-固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、 预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian 方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian 坐标系下求解气体连续相 流场,在Lagrangian 坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center（E/CRC）冲蚀模型以及Grant 和 Tabakoff 颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在 不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明： ①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导 致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位 置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。     

含砂页岩气弯管冲蚀模拟研究

在页岩气生产与集输过程中,常常含有页岩砂粒,这些砂粒在弯管处会对管道造成严重的冲刷侵蚀,引起弯管位置发生冲蚀穿孔,带来严重的安全隐患。本文运用数值模拟软件模拟计算了90℃管道弯头的冲蚀磨损率,模拟分析了不同直径的页岩砂粒、不同含砂量对弯管段的冲蚀影响。结果表明砂粒直径越大,冲刷侵蚀速率越大,冲刷侵蚀区域越向下偏移;随着砂粒流量增大,冲刷侵蚀速率呈现先增大后降低并逐渐趋于稳定的趋势,砂粒流量越大侵蚀区域越集中。     

气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟

为了定量描述输油管道弯管处由于流体方向改变引起的流体速度改变和压力波动的动态行为,以及管道内部的冲蚀磨损规律,利用Fluent软件建立了90°弯管冲蚀模型。针对不同的入口流速工况,对弯头内部压力和速度场进行了数值模拟,分析了流体在弯管段的流动和冲蚀规律。分析结果表明,流体在经过弯管段时,对管壁外侧压力先增大后减小,并在该侧取得最大值;弯管处流体流速和管壁压力变化剧烈,该区域管壁冲刷腐蚀最为严重;弯头使流体流场更加复杂,增大了气泡溃灭的概率和弯管腐蚀速率;随着流体速度增大,管壁压力会增大,管壁冲刷腐蚀速率也随着流速增大而增大,实际应用中应选择合理的流速。     

弯曲角度对油气两相混输弯管冲蚀影响研究

冲蚀是导致油气管道磨损的重要原因之一,会降低管道的运行寿命,增加弯管泄漏失效的频率。为了研究弯管角度对冲蚀磨损的影响,分析其内部的冲蚀机理,本文采用了CFD-DPM方法,对不同弯曲角度油气混输弯管的内部流场进行了数值模拟。结果显示,冲蚀速率与弯管角度呈正相关,并且当弯管角度增加至90°时,冲蚀速率会大幅增加,此时最大冲蚀速率为4.609×10-7kg·m-2·s-1,平均冲蚀速率为3.37×10-9kg·m-2·s-1;当弯曲角度较小时,冲蚀主要分布于弯管和其下游直管部分,随着角度增大,冲蚀轮廓逐渐向弯管部位集中;弯曲角度的变化,会减小油滴与下游直管的碰撞频率,并使油滴对弯管的冲击角更易导致冲蚀;弯管角度增大会使其内部的速度梯度范围扩大,从而导致二次流的广泛分布。     

粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损模拟分析

为了对粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损进行模拟分析,建立了弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇系统的数学模型和物理模型。选用有限体积法进行离散,将网格模型导入FLUENT软件中进行数值模拟,对不同影响因素下的结果进行分析。通过模拟结果,分析了90°弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇部件在不同排量、粒径、粒子浓度下的冲蚀磨损情况;对比分析了排量、粒子直径、粒子浓度3个不同变量对管汇系统不同部件冲蚀磨损。分析得到的规律有助于对磨损情况进行精确预测,确定管路安全使用的标准,从而确保钻井安全。     

液固两相流盲三通冲蚀特性数值分析

盲三通内特殊的"气垫"结构可以在节省空间的同时提升管道的抗冲蚀性能。为了分析液固两相流环境下弯管和盲三通内的流场分布,并对比其抗冲蚀性能,分析冲蚀机理,运用CFD-DPM方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算。通过对几何模型进行网格无关性验证来确定最佳的网格数量,选用Realizable k-ε湍流模型、McLaury冲蚀预测模型和Forder壁面反弹恢复模型来计算冲蚀速率。分析结果显示:盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管;弯管的主要冲蚀部位位于中心区域的外侧壁面,盲三通的冲蚀区域主要位于相贯线附近和出料管底部;在盲三通内存在缓冲涡,可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击,从而减轻对管道的冲蚀;随着流体流速的增加,冲蚀逐渐加重,且流速较高时,冲蚀速率增加幅度越大;随着颗粒质量流量的增加,冲蚀速率呈线性增加,增长斜率随长径比的增大而减小。所得结果对于管道的设计选用及长周期安全运营有一定的参考价值。     

基于CFD的排屑管路弯头局部冲蚀磨损研究

排屑管路弯头磨损失效是气体钻井中的常见问题,严重影响钻进效率。为深入研究弯头磨损机理,采用计算流体动力学CFD软件对弯头内气固两相流场进行了数值模拟研究。研究结果表明,高速气流携带岩屑经过弯头时,受惯性力作用,岩屑颗粒在外壁面一侧汇聚,造成管壁冲蚀磨损,磨损区域位于弯头30°~60°转角位置,弯管磨损速率的最大值远高于其平均值,说明弯管局部刺漏要远早于弯管的整体磨损失效。根据弯头磨损分布特点,对排屑管路弯头进行结构改进,在壁面主要磨损位置设置挡板。现场试验结果表明,连续钻进80 m,弯管没有刺漏,钻进效果显著提高。     

含砂介质对异径管的冲蚀磨损分析

为探究含砂介质对异径管的冲蚀磨损规律,建立了异径管物理模型,使用Fluent软件进行数值模拟,分别以介质进口速度、介质含砂质量流量、管口径比(小口管径与大口管径之比)和过渡段倾角为变量进行仿真分析。分析结果表明:异径管的冲蚀速率随进口速度的增大而增大,并且其增长速率也随着进口速度的增大而增大;异径管冲蚀速率与流体介质含砂质量流量呈正相关关系;随着管口径比的增大,介质对异径管的冲蚀速率逐渐减小;冲蚀部位在管口径比发生变化时也会发生改变,当管口径比较小时,冲蚀部位分布在过渡段靠近小口端一侧,管口径比增大,冲蚀部位发生偏移,并在管口径比达到0.7时,变成了靠近大口端一侧;过渡段倾角增大,含砂介质对异径管的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也随着过渡段倾角的增大而增大。研究结果可为异径管的设计和使用提供指导。     

水力压裂工况对活动弯头冲蚀行为的影响

目的探究压裂施工参数对活动弯头冲蚀的影响,厘清不同工况条件下活动弯头冲蚀行为及冲蚀速率的演化趋势。 方法使用CFD软件建立通径为69.85 mm的双弯弧活动弯头模型,结合压裂实际工况,分别针对不同安装角度、支撑剂质量流量、压裂液流速及黏度条件下活动弯头冲蚀行为进行仿真计算。 结果不同工况条件下弯头最大冲蚀速率均出现在第二弯弧外拱侧出口处。在其他参数相同的条件下,活动弯头最大冲蚀速率在安装角度75°时出现极小值;支撑剂质量流量在4.2～25.2 kg/s 范围内,最大冲蚀速率呈线性增大,当支撑剂质量流量达到 33.6 kg/s 后,由于“屏蔽效应”导致冲蚀速率增速较略有降低;冲蚀速率随着压裂液流速增大呈近似指数型增长趋势;压裂液黏度在 10～40 mPa·s 范围内时,活动弯头最大冲蚀速率较为平稳,随着黏度逐渐增大,最大冲蚀速率也随之增大,并在 120 mPa·s 后趋于平稳。 结论研究结果与现场实际基本符合,可为压裂现场活动弯头布局及施工参数优化提供有效参考。      

石英砂质量分数对防砂筛管用304不锈钢冲蚀速率的影响

在油气井生产过程中,固体颗粒引起的冲蚀磨损是井下防砂工具失效的主要原因之一。利用自制的喷射式试验装置,以清水为介质,分别研究了石英砂质量分数为0.49%、2.99%、3.21%和5.52%的混合流体对SS304不锈钢材料冲蚀速率的影响。研究结果表明:在冲蚀时间0～50 min,由于石英砂存在尖锐棱角,固体颗粒对SS304不锈钢的冲蚀速率较快,100 min以后冲蚀速率小幅度降低且趋于稳定; 石英砂质量分数为0.49%时,冲蚀速率达到最大; 继续增加石英砂质量分数,材料失质量先略微减小后快速增加,颗粒之间的碰撞消耗动能使得总冲蚀速率降低; 石英砂质量分数增加,材料总失质量增加,但冲蚀速率降低。试样扫描电子显微镜(SEM)结果表明:低石英砂质量分数下,试样表面大而深的冲击坑数量较多,粗糙度提高,冲蚀速率和失质量较高; 高石英砂质量分数下,试样表面只有小而浅的冲击坑,塑性变形和薄片脱落频繁交互作用导致材料失质量增加。说明冲蚀过程中颗粒间相互碰撞因素会导致冲蚀速率降低。试验结果为SS304不锈钢管材在油气田的应用提供了一定参考。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

城市燃气管道内已沉积萘颗粒的运移规律

城市燃气以往长期使用含有较多萘杂质的人工煤气,近年来被天然气置换后,已沉积的萘随着天然气的流动在管道内运移有可能导致管道堵塞或设备损害,甚至影响城市燃气输配系统的安全运行。为了研究燃气管道中已沉积萘的运移问题,以云南省昆明市的燃气管道为例,运用Fluent流体动力学软件,选用离散相模型(RSM)和雷诺应力模型(DPM),模拟分析了在燃气管网常见的水平直管、水平弯管、三通管等3种管型内已沉积萘的运移规律,研究在不同的管径、弯曲比和管径比下,粒径、气流速度、温度和压力对已沉积萘运移的影响。研究结果表明:①水平直管、水平弯管、三通管中萘的运移率与沉积萘的粒径呈负相关关系,与压力、入口速度呈正相关关系;②随着温度升高,水平直管、水平弯管、三通管中萘的运移率先减小而后增大;③萘在燃气管道中的运移率受入口速度的影响最大,受温度的影响次之,受压力的影响最小;④萘的运移率与水平直管管径、三通管管径比呈正相关关系,与水平弯管弯曲比呈负相关关系。结论认为,该研究成果对于保障城市燃气输配系统的安全运行具有重要的意义。     

大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究

为了探究柱塞型节流阀在节流过程中因受到高速颗粒冲击和流体冲蚀而导致节流阀失效的问题,以PCG,2-9/16×15M型节流阀为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法和离散模型,研究了不同开度、质量流量、流体速度及颗粒直径对阀座和阀芯的冲蚀规律。研究结果表明：随着开度的减小,节流阀主要冲蚀区域从阀体内腔节流处转为导流面节流处;在不同开度下,随着流速的增加,最大冲蚀率统一呈现上升趋势,并随着开度的增加,上升趋势更加明显;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀率呈现上升趋势;随着质量流量的增加,最大冲蚀率不稳定,大体呈现上升趋势;节流阀通常在小开度下工作,小开度的不同工况下,节流阀最大冲蚀位置都处在节流阀阀芯上,将节流口处改为阶梯形结构,通过仿真结果对比,可有效降低节流阀最大冲蚀率。研究结果可为节流阀的进一步优化设计提供参考。