具有肋条结构的气力输送弯管抗冲蚀优化设计

弯管冲蚀是不可忽视的重要问题，直接关系到管路输送系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题，提出一种四边形、等腰梯形和等腰三角形3种横截面形状的肋条，分别安装在弯头外径方向不同位置，并考虑均匀安装多个肋条对冲蚀的影响。采用CFD-DPM方法对所提出的具有肋条结构的弯管抗冲蚀特性进行数值模拟。模拟结果表明：肋条安装在颗粒壁面第一次碰撞之前，一定程度上抑制冲蚀，且肋条背部形成低速逆流循环区，保护该区域壁面。3种不同横截面形状的肋条中，抗冲蚀作用最佳的为等腰三角形肋。肋深越大，保护范围越大，但影响颗粒碰撞角度，增大颗粒与其碰撞频率，并非深度越大抗冲蚀性能越佳。弯头部分均匀分布多个肋条也具有明显的抗冲蚀特性。其结论可为弯管的抗冲蚀优化设计提供新的设计方案。     

基于CFD对60.3 mm弯管冲蚀仿真预测

目的提高工业生产过程中弯管冲蚀预测可靠度。方法在拉格朗日坐标系,通过CFD-DPM模型求解在流体作用下固体颗粒对弯管的冲蚀问题,并利用冲蚀方程研究流体速度、固体颗粒直径和固体颗粒质量流量分别与弯管冲蚀之间的关系,预测弯管最大冲蚀位置及模拟数值。结果通过仿真得到弯管冲蚀最大冲蚀位置主要集中在弯管出口的水平两侧和弯管入口的垂直两侧。随着固流体速度u由8 m/s增大至18 m/s时,固体颗粒对弯管的最大冲蚀速率增大了9.912倍;冲蚀固体颗粒的质量流量f由0.2 kg/s增大到0.8 kg/s时,弯管最大冲蚀速率增大了4.527倍;当仿真过程中固体颗粒直径由200μm增大到900μm时,弯管的最大冲蚀速率增大了3.94倍。结论当固体颗粒直径、固体颗粒速度和固体颗粒质量流量不变时,弯管冲蚀随着流体速度的增大而增大,弯管冲蚀区域在弯管出口水平位置逐渐增大。当固体颗粒直径增大,流体速度固体颗粒质量不变时,固体颗粒在惯性力作用下,弯管肘部的冲蚀逐渐增大,弯管出口水平两侧冲蚀逐渐减小。弯管冲蚀在固体颗粒质量流量增大时,呈增长趋势。     

油气管道弯头冲蚀仿真研究及影响因素分析

当管道中输送高速流动的油气时,受固体颗粒的冲蚀,常常导致管道弯头失效。从计算流体动力学的角度出发,应用Erosion/Corrosion Research Center冲蚀磨损模型对油气管道弯头的冲蚀进行模拟,并进一步分析了流体的流动状态及自身的微观属性。首先得出了颗粒直径、入口速度及质量流量分别对管道冲蚀速率的影响。其次根据仿真结果得出不同因素对油气管道弯头冲蚀速率影响程度不同,但它们所对应的最大冲蚀位置均集中于弯管外侧。其中固体颗粒直径在小于和大于800μm的情况下,得到的管道弯头冲蚀规律存在显著性差异。而入口速度和质量流量均对油气冲蚀速率具有正向促进作用,且入口速度对冲蚀速率的影响效果更为明显。     

水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析

目的揭示水平弯管含砂分散泡状流的冲蚀机理。方法构建气液固多相流冲蚀实验环道,研究管道内流体流动状态及管道三维冲蚀速率。采用显微分析方法研究管道冲蚀形貌,并提出基于VOF模型和DPM模型耦合的瞬态冲蚀仿真方法。实验与仿真相结合分析管道内部气液分布、颗粒运动对冲蚀形貌的影响。结果弯管冲蚀最严重区域出现在弯头出口处(θ=90?),而冲蚀最严重位置则出现在该截面φ=45?以及φ=90?两个位置上。仿真可知整个弯管冲蚀严重的区域边界呈现出较为均匀的抛物线形状。砂粒对弯管的冲蚀作用主要以冲击变形和微切削摩擦为主,砂粒的直接冲击碰撞导致试样表面产生密集冲蚀坑,冲蚀坑周围有基体材料外翻形成的"唇片"。分散泡状流中的固体颗粒大部分分散在液相中,弯头处滞止区使得弯头处截面的含液率及颗粒含量大于上下游直管段截面。气体的存在改变了砂粒在管道中的运动状态,大大加剧了弯管的冲蚀。结论水平弯管含砂分散泡状流冲蚀严重区域、冲蚀形貌与管道内部气液分布及砂粒运动直接相关,多相流冲蚀瞬态仿真方法可准确地预测管道冲蚀。     

具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法 运用CFD–DPM方法,采用Finnie冲蚀模型,考虑颗粒与流体的双向耦合作用,对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟,并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上,采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果 数值模拟结果表明,具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°～60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性,三角形槽的抗冲蚀特性最佳,提高了约38.33%,矩形槽次之,提高了约28%,等腰梯形槽最差,仅提高了约8.33%,且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化;正交试验结果表明,在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深,最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论 槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞,降低了碰撞速度,...     

弯管液固两相流动冲蚀磨损的数值预测

固体颗粒的冲蚀磨损是导致液体管道壁面磨损甚至失效的主要原因。本文基于计算流体动力学（CFD）方法,研究弯管在不同条件下冲蚀磨损分布规律。对8种常用的冲蚀模型分别进行计算评估,结果显示,基于DNV冲蚀模型的预测结果与实验结果吻合较好。基于DNV模型研究不同颗粒属性下弯管冲蚀磨损的分布规律。结果表明:随着颗粒直径从10 μm 增加到200 μm,最大磨损速率先减小后增大;当颗粒质量流量为0.02~0.20 kg/s 时,最大磨损速率随着颗粒质量流量的增大而线性增大;随着颗粒形状系数从0.2增加到1.0,最大磨损速率先增大后减小。研究结果可为实际工程应用提供一定的理论支撑。     

气固两相流饲料输送管道结构优化研究

目的 针对饲料输送管道气固两相流对弯管壁面冲蚀磨损严重的问题,提出一种在弯管外侧加设辅助气流的新型结构.方法 运用计算流体力学方法,采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)研究普通和新型弯管的冲蚀磨损情况,模型的有效性通过普通弯管压降梯度实验加以验证.通过分析两种弯管的流场分布情况,进一步研究空气进口速度、颗粒质量流量和颗粒粒径等因素对弯管冲蚀磨损的影响.结果 随着空气进口速度的增加,弯管的平均冲蚀磨损速率先减小、后增大,但新型弯管的平均冲蚀磨损速率降低了7.1％～8.5％,且当空气进口速度为35 m/s时,平均冲蚀磨损速率最小.当颗粒质量流量增加时,弯管平均冲蚀磨损速率基本呈线性增长,但新型弯管平均冲蚀磨损速率的增长速率略小于普通弯管,且平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～9.7％.当颗粒粒径增加时,弯管的平均冲蚀磨损速率先急剧增大、后平缓变化,但新型弯管平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～17％.结论 通过研究发现,弯管外侧均存在冲蚀磨损,但新型结构均能有效减小弯管的冲蚀磨损.颗粒质量流量对弯管冲蚀磨损的影响最大,且颗粒质量流量越大,平均冲蚀磨损速率越大.颗粒粒径对降低弯管冲蚀磨损的效果最好,且颗粒粒径越小,效果越佳.     

90°弯管冲蚀磨损仿真分析

在石油行业中,冲蚀磨损已成为输送管道损坏的一个重要原因。针对石油输送管道中90°弯管内壁冲蚀严重的问题,采用CFD数值模拟的方法对液固两相流弯管冲蚀进行研究,并对数值分析模拟结果采用最小二乘法进行非线性拟合,获得了颗粒直径、颗粒质量流率、流体速度、流体粘度、管道直径、管道弯径比等因素对90°弯管冲蚀磨损的影响规律,同时提出了一个包含多因素耦合的冲蚀磨损预测模型。研究表明,随着流体速度和颗粒质量流率的增大,冲蚀磨损呈幂指函数增加;随着管道直径、管道弯径比、流体粘度和颗粒直径的增大,冲蚀磨损呈幂指函数减小;提出的冲蚀预测模型计算结果与实验结果相比误差为27.9%和26.5%。     

高产天然气井放喷管汇弯管冲蚀磨损特性研究

目的 研究高产天然气井气固两相流对放喷管汇的冲蚀机理及规律.方法 利用CFD软件对放喷管汇冲蚀进行研究,使用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求其气相的运动状态,并用离散相模型(DPM)计算出颗粒运动轨迹.然后使用Oka冲蚀磨损模型开展弯管角度、弯管位置、放喷量等5种因素与壁面冲蚀规律研究,最后使用最大冲蚀速率、壁面质量损失以及管汇刺漏时间等3种指标评价管汇的冲蚀特性.结果 在控制单因素变量的前提下,随着含砂率从1％增长到5％时,弯管最大冲蚀速率增加了约4倍;随着放喷量从3.0×105 m3/d增加到5.1×106 m3/d时,最大值出现在1.0×106 m3/d附近,弯管最大冲蚀速率相比3.0×105 m3/d增加了3.7倍;当弯管角度从90°增加到165°时,最大冲蚀速率下降了85％,但120°弯管最大冲蚀速率最大;随着弯管距出口距离从5 m增加到30 m时,最大冲蚀速率下降了86％;当颗粒形状系数从0.67增加到1时,最大冲蚀速率增大了5倍.结论 含砂率与最大冲蚀速率相关度最大,弯管位置与最大冲蚀速率的相关度最小.最大冲蚀速率随含砂率、颗粒形状系数的增加而增大,随弯管角度和距出口直管段长度的增加而减小,但120°弯管冲蚀最严重.随放喷量的增加,弯管最大冲蚀速率呈现出先增大、后减小、最后趋于平稳的规律.     

清水与非牛顿胍胶溶液中磨料射流冲蚀行为对比

目的 分析磨料射流在清水和非牛顿胍胶溶液中颗粒运动特性的差异,揭示非牛顿流体中磨料射流颗粒在近壁面的冲蚀行为,为在非牛顿流体中建立磨料射流冲蚀模型提供依据.方法 运用计算流体动力学(CFD)的方法,研究射流过程中清水和胍胶溶液的流场特性,分析流场对高速淹没射流过程中磨料颗粒运动特性的影响,包括撞击壁面的数目、速度和角度的区别.结合喷射式冲蚀实验,将实验结果与不同冲蚀模型预测的结果进行对比,优选出最佳预测模型.结果 胍胶溶液的近壁面(150μm)湍流动能高于清水,流速小于清水.在近壁面处的高剪切速率区,由于胍胶溶液的剪切稀释性,导致近壁面黏度下降到3.54 mPa·s,而在远离射流冲击中心的区域,最大黏度值可达25.4 mPa·s.在射流冲击中心区域,与清水相比,胍胶溶液中颗粒撞击靶材壁面的数目更少,撞击速度与撞击角度更小.将DNV、Oka和E/CRC Zhang模型的冲蚀预测结果与颗粒在胍胶溶液中的冲蚀实验结果进行了比较,发现DNV模型对冲蚀的预测不足,Oka和E/CRC Zhang模型预测值超过了实验值,而E/CRC Zhang模型的预测结果与实验值最为接近.结论 流体的剪切稀释非牛顿流变性会对射流过程中颗粒的运动产生影响,从而使材料表面出现不同的冲蚀形貌.通过对比不同冲蚀模型的预测值,发现在所涉及的实验工况以及所选择的冲蚀模型范围内,E/CRC Zhang模型是目前研究非牛顿胍胶溶液中固体颗粒冲蚀的首选模型.     

抗冲蚀磨损涂层制备技术及机理的研究进展

在油气开采作业过程中,高压流动介质中固体颗粒对结构件的冲蚀磨损而引起综合表面性能下降,造成了基材损坏,严重影响了关键设备的使用寿命。冲蚀最先被破坏损伤的是材料表面,表面沉积涂层处理技术是改善特定应用中裸漏零部件特性的有效方法。提高表面涂层性能是设备抗冲蚀常用的手段,正越来越多地用于石油和天然气行业中。根据材料本身的物理特性,文中从塑性材料和脆性材料的分类评述了其各自冲蚀机理,综述了利用热喷涂技术、激光熔覆技术、电镀技术及气相沉积等技术制备抗冲蚀磨损涂层的研究现状和进展,介绍了这些技术在制备涂层过程和使用的主要仪器设备。提出了应用多种工艺技术交叉来制备抗冲蚀磨损涂层的方法和以后研究的重点。并对涂层抗冲蚀磨损领域未来的研究方向进行了展望,为固液或气固等多相流动介质的高压石油装备抗冲蚀设计提供参考。     

基于DSMC-CFD方法的气固两相流冲蚀预测研究

目的 研究气固两相流中固体颗粒间碰撞对冲蚀的影响。方法 使用Eulerian-Lagrangian方法,将气相作为连续相,通过Navier-Stokes方程求解,颗粒平移运动由离散相模型（DPM）求解。颗粒间碰撞运动采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法进行模拟,用少量采样颗粒代替真实颗粒计算颗粒间碰撞,碰撞的发生条件通过修正的Nanbu方法判定,碰撞过程遵循颗粒间碰撞动力学模型,采用Grant-Tabakoff随机颗粒-壁面碰撞反弹模型,计算颗粒与壁面的碰撞运动。将颗粒运动信息导入5种不同的冲蚀模型,并将计算与未计算颗粒间碰撞的冲蚀预测模拟结果与实验数据进行对比。结果 颗粒间碰撞位置主要分布在90°弯头外拱侧的颗粒高浓度区,随着颗粒质量流量的增大,颗粒碰撞次数增加,且直管段中碰撞次数占比增大。随着入口速度的增大,颗粒碰撞次数减少。使用DSMC-CFD方法计算的最大冲蚀位置沿弯管外拱轴线向高角度方向偏移,且数值比忽略颗粒间碰撞的CFD方法约低5%~15%,总冲蚀率则两者区别不大。结论 引入DSMC方法计算颗粒间的碰撞,可以节省大量算力。弯管处发生颗粒间碰撞,DSMC-CFD冲蚀预测方法更符合实际,使用DSMC-CFD方法的Oka模型与实验测得值最贴近。     

油气输送管道隧道穿越施工质量控制技术

以管道输送石油、天然气是经济、高效、安全的输送方式,而保证油气管道输送安全的主体则是油气管道施工过程中各工序的过程质量控制。由近几年国家油气管道重点工程建设项目可知,都或多或少的有隧道穿越施工,而隧道施工往往是工程施工的关键控制点。结合兰-郑-长输油管道工程和西气东输二线管道工程,以及目前在建的中缅油气管道工程,针对油气管道施工过程中隧道穿越施工各工序质量控制以及如何降低施工成本提高施工进度做一简要论述。     

基于有限元的20#钢冲蚀磨损行为模拟

目的研究固体颗粒对油气井管柱或地面油气输送管道材料的冲蚀磨损规律。方法通过对石英砂颗粒形状特征抽提了颗粒模型,采用有限元方法模拟了其对20~#钢的冲击磨损动力学行为。在不同冲击角度、不同颗粒粒径和不同冲击速度的条件下,分析材料表面冲击破坏应力特征和材料堆积形态。结果在给定的参数条件下,随着冲击角度的增大,最大等效应力先上升后下降,在40°时达到最大值1370 MPa。高角度冲蚀时,表现为凿坑和塑性挤出;低角度冲蚀时,以微切削和犁沟形唇为主,在冲蚀坑两侧及前端有材料堆积,冲蚀坑前端的变形唇高度逐渐增加,在40°时达到最大值0.019 85 mm。随着冲击速度的增大,最大等效应力单调增大,冲击坑深度变化不大,但冲击粒子前端的堆积材料明显增多,变形唇片高度增大。当粒径小于0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而增大,粒径为0.15 mm时达到最大值1410 MPa。当粒径超过0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而减小。随粒径的增加,冲蚀坑深度缓慢增加,粒子前端的变形唇片高度明显增加。结论采用有限元方法对石英砂冲击20~#钢的动力学行为进行了成功的模拟,获得了冲击角度、冲击速度以及颗粒粒径的变化对20~#钢冲击过程中应力分布、冲蚀形貌变化的影响规律。     

16Mn钢油气集输管线弯管失效分析

用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射分析方法对油气井集输用16Mn钢弯管失效件的显微组织、宏观形貌和产物组成进行了分析.结果表明,输送介质中的CO2腐蚀引起弯管内壁变形处出现腐蚀坑,并在输送压力和油、气、固多相流的冲刷作用下使弯管顶端内表面产生应力腐蚀,从而导致弯管发生破裂.     

Erosion mechanisms of thermally sprayed coatings with multiple phases

Thermally sprayed coatings are frequently subjected to impacts by small solid particles which induce surface erosion. To identify the physical mechanisms associated with such a material removal process, experimental tests as well as detailed computational analyses of porous coatings containing multiple phases are performed. In the experiments, a gas jet erosion test is conducted to measure material loss of coatings with different mixtures of brittle and ductile phases. The results show higher erosion resistances with small volume fractions of metal phase added to predominantly brittle coatings. Following this outcome, the study is directed toward elucidating the physical mechanisms behind the increased erosion resistance. Here, solid particle impacts are simulated with dynamic finite element analyses where material removals and coating's energy absorption behaviors are closely monitored. Furthermore, parametric study is carried out to quantify effects of cracking resistances and plastic dissipation on the erosion rate. The results reveal synergistic effects of fracture energy and plastic deformation. The combined mechanisms allow greater energy absorptions and enhanced erosion resistance in coatings with mixture of ductile phase. These assessments should offer insights into tailoring coatings with optimized composition of ductile phase to increase their performances. The results are also valuable in understanding foreign object damage (FOD) of coatings.     

油田集输管线防腐相关技术的全面分析

油田作业中,地下开采的石油、天然气具有较高腐蚀性.油气运输环节中极易发生油气管线腐蚀问题.结合油田油气集输的工业特点,必须采取一定防护措施,降低油气集输管线的腐蚀问题.从而有效避免油气集输环节发生油气泄露的状况,有效提高油田油气技术的安全等级.     

仿生表面的离心风机叶轮抗冲蚀性能研究

目的 针对传统方法对提高离心风机叶轮抗冲蚀性能效果不显著的问题,从仿生学角度出发,对基于沙漠红柳优异抗冲蚀机理的仿生离心风机叶轮抗冲蚀性能进行了研究.方法 对沙漠红柳、垂柳树皮进行顺纹拉伸和冲蚀试验,定性定量分析沙漠红柳抗冲蚀磨损性能.基于对沙漠红柳树干、树枝体表形态表征测试,建立仿生表面模型,并利用Fluent对其进行数值模拟,比较分析不同仿生表面模型的冲蚀磨损性能及机理.参照ASTM-G76-83标准,设计制造离心风机冲蚀磨损试验装置.并基于有限元仿真结果和风机叶轮冲蚀性能的可视化研究,优化并制造离心风机仿生叶轮,对其进行冲蚀试验,评价分析各试验因素对叶轮冲蚀性能的影响.结果 沙漠红柳树皮弹性模量(509.17 MPa)大于垂柳树皮弹性模量(313.19 MPa),沙漠红柳冲蚀磨损量最大值(21.6 mg)小于垂柳冲蚀磨损量的最小值(24.1 mg),表明沙漠红柳具有较优的抗冲蚀性能.进一步观测沙漠红柳树皮形貌,发现其体表分布有大量的凹槽和凸包等特殊形态,通过模拟发现,这些特殊形态相较于光滑表面,可有效降低粒子对表面的冲蚀磨损量.基于对样件的冲蚀试验发现,影响叶轮冲蚀性能的主次因素依次为:单元形态、间距、特征尺寸.最优样件组合为:V形槽、间距2 mm、特征尺寸4 mm.结论 沙漠红柳树皮具有优异的抗冲蚀性能,这与其体表特殊形态紧密相关.基于沙漠红柳体表特殊形态设计的仿生离心风机叶轮较光滑叶轮,具有优异的抗冲蚀性能,经测试发现,最优组合样件的抗冲蚀性能较传统的光滑件提高了28.97％.