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。     

高压弯管冲蚀失效分析及数值模拟

油气田水力压裂作业时,高压管汇的弯头、三通等连接件部位由于承受上百兆帕的压力以及携砂液的高速冲蚀作用,应力集中及冲蚀破坏十分严重。对典型的高压管件失效样品进行失效分析,分析其宏观形貌特征和微观形貌特征。结果表明:压裂工况下高压弯头的主要失效模式为固体颗粒的小角度高速切削模式。对高压弯管冲蚀磨损进行数值模拟,得到高压管汇弯管内液相及固体粒子的流动规律,压力、速度变化规律以及冲蚀磨损的分布规律。数值模拟结果与现场回收的失效样品分析结果一致,验证了分析方法的正确性。     

高压对高压管汇冲蚀磨损的影响

针对现有的高压管汇冲蚀磨损理论,缺乏考虑高压力载荷对其冲蚀磨损的影响。通过对高压管汇冲蚀磨损的分析,得出当弯头受到内压作用时,产生的环向应力即拉伸应力明显大于轴向应力的结论。利用实验室自主研发的可施加拉伸应力的冲蚀磨损试验机,开展在不同拉伸应力作用下,冲击角为30°时,高压管汇材料40CrMo冲蚀磨损性能的实验研究。结果表明:随着应力的增大,40CrMo的冲蚀磨损率增加,抗冲蚀能力减弱。     

高压对高压管汇冲蚀磨损结果的影响

针对现有的高压管汇冲蚀磨损理论,缺乏考虑高压力载荷对其冲蚀磨损的影响。通过对高压管汇冲蚀磨损的分析,得出当弯头受到内压作用时,产生的环向应力即拉伸应力明显大于轴向应力的结论。利用实验室自主研发的可施加拉伸应力的冲蚀磨损试验机,开展在不同拉伸应力作用下,冲击角为30°时,高压管汇材料40CrMo冲蚀磨损性能的实验研究。结果表明：随着应力的增大,40CrMo的冲蚀磨损率增加,抗冲蚀能力减弱。     

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。     

3000型压裂车高压管汇疲劳强度仿真研究

高压管汇是油田酸化压裂作业中必不可少的设备,随着压裂作业深度的不断增大,管汇承受越来越高的压裂压力,其强度直接影响着压裂作业中安全问题。为了验证弯头冲蚀疲劳破坏是3000型压裂车作业用高压管汇失效的主要原因,以真实参数在三维建模软件Pro/E中创建管汇分析模型,通过计算流体动力学软件CFD对压裂作业过程高压管汇中弯头处的流场进行了仿真分析,利用流固耦合完成了管结构的疲劳强度计算,并提出了预防冲蚀疲劳破坏的措施和建议,仿真计算结果与实际失效案例进行了对比,结果表明,管弯头是高压管汇最易发生冲蚀和疲劳破坏的地方,且弯头外侧内壁面处为最大危险区。     

压裂液对四通管冲蚀磨损的仿真分析

在页岩气压裂开采过程中,为了提高压裂效率,部分井场在地面采用一种新型的高压管汇快接装置.针对该装置中四通管处的冲蚀磨损问题,基于DPM冲蚀预测模型,利用FLUENT软件研究水力压裂下快接管汇装置的四通部位的冲蚀磨损规律.结果 表明,冲蚀集中面位于相贯线及其附近的管壁上;质量流不变的情况下,随着粒度的增大,相贯线上最大冲...     

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。     

30CrMo合金钢的冲蚀磨损性能研究

采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机,研究在水力压裂工况下,高速携砂液对高压管汇材料30CrMo的冲蚀磨损作用,分析冲蚀磨损机制以及冲蚀角度和冲蚀速度对30CrMo合金钢冲蚀性能的影响。结果表明,30CrMo合金钢在高速粒子冲击下,其耐冲蚀磨损性能表现一般,属于典型的金属塑性材料;冲蚀角度为30°时,30CrMo的冲蚀磨损量最大;30CrMo的磨损机制与冲蚀角度有直接的关系,冲蚀角度小于30°时,冲蚀磨损机制以切削模型为主,大于30°时以局部塑性变形模型为主;冲蚀磨损量随冲击速度增加而显著增加,在高速冲击时,30CrMo钢的冲蚀磨损较为严重。     

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。     

喷砂射孔压裂工具弯曲段多相流动冲蚀模拟研究

目前,水力喷砂射孔压裂应用日益广泛,相关设备在含固相颗粒多相流动环境下部分区域冲蚀作用明显,严重影响后续施工效果.弯曲管件作为地面设备的重要组成部分,相关学者将研究重点放在了液固两相冲蚀磨损机理上,而气(氮气)-液-固三相流动条件下的冲蚀研究较少.基于此,以一定尺寸的弯管为研究对象,采用数值模拟方法分析了弯管内部气-液...     

基于ANSYS/LS-DYNA的压裂泵阀胶皮冲蚀磨损数值模拟

针对压裂泵泵阀阀胶皮在压裂液固体颗粒冲蚀磨损下引起疲劳破坏的工程问题,运用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立橡胶的单颗粒和双颗粒冲蚀力学模型,研究了颗粒冲蚀速度、颗粒尺寸、颗粒冲击次数对冲蚀性能的影响,并分析了阀胶皮的冲蚀失效机理。结果表明,冲蚀磨损程度随颗粒冲蚀速度的增加而增大;同一速度下,随颗粒直径的增大冲蚀磨损速度增大;颗粒冲击次数是造成阀胶皮冲蚀磨损的重要因素,经颗粒多次冲击后,阀胶皮恢复弹性的能力降低直至发生塑性变形后疲劳失效。     

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。     

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。     

煤化工严苛工况阀门多相流冲蚀磨损-气蚀机理及预测方法研究

正本文以煤化工严苛工况阀门内多相流冲蚀磨损-气蚀失效为研究对象,明确了复杂流动条件下阀内件的失效机理及损伤过程,并建立含气液相变的多相流冲蚀磨损-气蚀预测方法。通过工艺过程、运行状态分析、受损表面微观形貌测试,基本明确了热高分液控阀和高压黑水角阀的失效机理;通过阀门空化-空蚀试验和高温冲蚀磨损试验,研究阀门气蚀和冲蚀磨损机理,并对空化模型和颗粒冲蚀磨损模型进行修正;构建了含气液相变的多相流冲蚀磨损-气蚀数学模型,并提出阀内流动     

基于FLUENT的异径弯管冲蚀磨损研究

在许多工程领域,由于固体颗粒撞击引起的侵蚀问题一直存在,会引起异径弯管等部件出现侵蚀磨损现象。本文考虑了异径弯管中含砂介质流体对管壁冲蚀的作用,建立了异径弯管离散相DPM的模型,研究进出口管径比、中心引导线半径、流速、介质颗粒直径与介质浓度对冲蚀速率的影响。结果表明：异径弯头在含砂介质下的侵蚀区域主要位于异径弯头与小口径管的过渡部位,随着管径比的增加,异径弯头的侵蚀面积逐渐从异径弯管90°向0°扩大;在同等条件下,随着管径比的增大,异径弯管的冲蚀速率最终趋于平缓。冲蚀速率随入口速度及颗粒直径增大而增长,颗粒的质量流量、颗粒直径与冲蚀速率呈线性增长的关系;引导线直径在70～230 mm区间内,引导线直径与冲蚀率曲线呈M型。     

三通管中液固两相流冲蚀磨损的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管固液两相流的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析油品中夹带的固体颗粒对三通管的冲蚀磨损情况,得出固体颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:固体颗粒对于不同类型三通管的冲蚀部位以及磨损严重程度不同。T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小。     

一种旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置的研制

针对目前液固两相流冲蚀磨损试验装置存在实际冲角误差大、浆体浓度不均匀等问题,研制了一种旋转式冲蚀磨损试验装置。该装置允许的冲角范围为0°～90°,冲击速度为0～28.5m/s连续可调,利用搅拌叶片和导流槽实现不同冲击速度下浆体浓度的均匀性,具有速度稳定、可同时测试8个不同冲角下的试样、操作方便等特点。对低碳钢在不同冲击速度和冲角下的试验表明,所测得试验数据误差在6.8%以内,冲蚀磨损规律与经典结论一致。因此,该装置有望作为一种准确可靠的冲蚀磨损试验研究新平台而应用于耐冲蚀磨损优化设计和寿命预测等领域。     

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。