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。     

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。     

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。     

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。     

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,相贯线上最大冲蚀率呈指数式降低,管壁上最大冲蚀率先增大后减小;质量流不变的情况下,随着黏度的增大,最大冲蚀磨损量增大,且随着粒径的增大,其变化规律由对数型向指数型过渡.     

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。     

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。     

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。     

离心压缩机内固粒运动规律与冲蚀磨损的数值模拟

针对离心压缩机叶轮的冲蚀磨损问题,利用FLUENT中离散相模型、质量冲蚀率模型,对压缩机内部不同粒径的固体颗粒的运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成的叶片冲蚀率的分布进行了数值模拟。结果表明:粒径为5~20μm的绝大部分的固体颗粒流经大叶片压力面附近流道;固体颗粒在运动到叶片前缘过程中速度迅速升高,在压力面腹侧会有所减小,后缘处重新升高;大叶片后缘根部固体颗粒浓度高、运行速度快,冲蚀磨损严重,且固体颗粒直径越大对大叶片压力面造成的冲蚀磨损越严重。     

节流压井管汇冲蚀磨损研究及结构改进

节流压井管汇系统是确保成功地控制井涌,实现油气井压力控制技术的必要装备。采用CFD方法对JGY70节流管汇内部流场进行了气液两相流动的数值模拟仿真,通过对模拟结果分析发现冲蚀区域主要分布在节流管汇入口段100～300（mm）之间的管段上并容易引起该管段的刺穿,与现场的实验情况基本吻合。并针对引起冲蚀磨损现象的主要原因,提出一种新型防冲蚀节流管汇结构。达到降低对节流管汇的冲蚀磨损,更好地满足了现场的使用要求的目的。     

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。     

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。     

国内外高压管汇连接发展现状及趋势

高压管汇连接将压裂车增压后的高压流体输送到井口,完成高压流体的输送任务。高压管汇连接已经成为制约大型压裂提速提效的一个短板,因此研究高压管汇连接对我国压裂工艺提速提效具有助推作用。文中分析了常规高压管汇连接在大型压裂应用时的问题,介绍了国内外主要厂家SPM、FMC、Schlumberger、Halliburton、宝鸡石油机械公司在高压管汇连接的研究进展。指出高压管汇连接向着去由壬、大通径、模块化、自动化方向发展。     

离心压缩机叶轮材料FV520B冲蚀规律和机理的研究

利用高速冲蚀试验系统,以7 μm、10 μm、14 μm多角氧化铝微粒为冲蚀颗粒,在120 ~ 210 m/s冲击速度范围内,对离心式压缩机叶轮材料FV520B在模拟压缩机叶轮高速粒子冲蚀环境下的冲蚀规律进行了系统的试验研究。对冲蚀表面形貌进行分析,研究冲蚀磨损机理。结果表明：参与冲蚀的粒子质量在5 ~ 80 g之间时,冲蚀率先增加后减小即为冲蚀过渡期,冲蚀粒子质量大于80 g后冲蚀率趋于平稳,进入冲蚀稳定期;高、低强度的两种FV520B材料,均呈现出典型的塑性材料的冲蚀特性,最大冲蚀率分别出现在24°、18°的冲击角度附近;高强度FV520B在24°和90°冲击角度时的速度指数分别为3.37和3.68,速度指数随冲击角度的增大而增大;FV520B冲蚀磨损的实质是微切削与变形磨损共同作用,在低角度冲蚀时,以微切削磨损为主,而在大于60°的高角度冲蚀,以变形磨损为主。     

140MPa井口压裂四通管道冲蚀分析

压裂井口装置是页岩油开采过程中重要装置,而井口装置中的油管四通在开采中极易出现冲蚀磨损问题。针对四通管汇的冲蚀问题,基于creo模型和CFD方法,利用Fluent软件分析140 MPa四通管汇冲蚀影响。结果表明,四通管汇内壁冲蚀率随压力增大而增大,且内壁冲蚀现象严重区域为管汇交汇两侧与对应交汇连接处。     

动车组表面聚氨酯涂层冲蚀性能分析

采用气流喷砂式冲蚀实验机,对动车组聚氨酯涂层进行冲蚀性能研究。利用扫描电子显微镜及表面轮廓测量仪,检测了聚氨酯涂层的表面冲蚀形貌及冲蚀磨损,比较分析了粒子速度、入射角度对聚氨酯涂层冲蚀磨损率及冲蚀形貌的影响规律。研究发现:聚氨酯涂层冲蚀磨损机制为低角度冲蚀时微切削机制起主导作用,高角度冲蚀时脆性破碎机制起主导作用;冲蚀参数对涂层的冲蚀磨损率影响规律为:随粒子速度呈现指数增长(指数为2.27),随入射角度先增后减规律(峰值在30°入射时)。     

冲蚀角度对40CrNi2Mo材料冲蚀磨损性能的影响

采用自主研发的冲蚀磨损试验机对40CrNi2Mo合金钢试样进行冲蚀磨损试验,讨论在不同冲蚀角度下40CrNi2Mo合金钢材料的冲蚀磨损机制,采用电镜分析材料冲蚀磨损后的形貌特征。结果表明:该合金钢的磨损量随冲蚀角度的增大先增大后减小,最后出现小幅回升,最大磨损量出现在30°左右,小角度冲蚀磨损特征表现为微切削,大角度冲蚀磨损特征表现为塑性变形,符合典型的塑性材料的冲蚀磨损规律。     

挖掘机多路阀阀口冲蚀磨损研究

针对挖掘机多路阀阀口易发生冲蚀磨损导致性能下降及失效的问题,以回转联作为研究对象,建立了以DPM离散相模型和Edwards冲蚀模型为基础的计算模型,并通过Fluent软件模拟了不同流量、阀口开度和颗粒属性下的阀口冲蚀磨损情况,针对发生冲蚀磨损最严重的阀芯区域,分析并得到了冲蚀磨损分布和冲蚀磨损率随流量、阀口开度和颗粒属性的演化规律。结果表明：阀口的冲蚀磨损情况会随流量、阀口开度和颗粒属性的变化而规律变化,对于阀芯部位,磨损面积会随阀口开度变小而变小、随流量增大而增大;开度减小和流量的增加会引起阀芯冲蚀磨损率增大,其中冲蚀磨损率对阀口开度的变化较为敏感,在小开度情况下会出现磨损率的大梯度变化情况,而流量则对冲蚀磨损率影响较为平缓;当固体颗粒在油液中的质量一定时,颗粒直径的变化对阀芯冲蚀磨损率有较大影响。     

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-固三相共存情况下管壁的冲蚀磨损情况,得到了三相流动条件下内管壁的冲蚀磨损规律。