高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀行为影响的数值模拟

目的研究在水力压裂作业中,高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀磨损的影响规律及其主要影响因素。方法基于液-固两相流理论、FLUENT冲蚀模型,为消除误差,应用FLUENT3次重复性分析并取平均值,得到支撑剂密度、粒径、质量浓度、压裂液流速的变化对弯管冲蚀行为的影响。结果压裂弯管的易冲蚀区域为弯管段靠近出口的内壁面外侧区域和接近弯管出口的直管区域。随着支撑剂密度和粒径的增大,最大冲蚀速率均增大,支撑剂密度从2500 kg/m3增大到3500 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了0.69倍,粒径从0.074 mm增大到0.54 mm时,最大冲蚀速率增长了1.45倍,但二者对平均冲蚀速率数值影响变化不大。支撑剂质量浓度的增大,导致冲蚀速率呈近似线性增大,从40 kg/m3增大到210 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了2.3倍,平均冲蚀速率增长了1.526倍。流速从5 m/s增大到25 m/s时,最大冲蚀速率平均增长了34.30倍,平均冲蚀速率也增长了34.85倍。结论对JY-50压裂弯管冲蚀行为及影响进行了数值模拟,获得了压裂液的参数变化对压裂弯管的冲蚀影响规律,综合最大冲蚀速率和平均冲蚀速率数值及其增长倍数分析,压裂液流速是冲蚀速率增长的主要因素,对弯管冲蚀磨损影响显著。     

压裂泵泵阀冲蚀磨损的数值模拟

目的 研究压裂泵作业过程中泵阀阀隙流场的冲蚀磨损特性,探究其主要影响因素与影响规律。方法 基于固液两相流基本理论与冲蚀模型,采用计算流体力学(CFD)方法模拟泵阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究支撑剂粒径、质量流量、泵阀半锥角、阀座孔入口半径、阀盘升程等参数对泵阀冲蚀特性的影响。结果 泵阀的冲蚀磨损主要表现为支撑剂对阀盘边缘处的直接冲击与对阀座锥面处的切削作用。支撑剂粒径由0.062 5 mm增大到0.375 mm时,最大冲蚀速率增大了4.80倍,继续增大到1.5 mm时,最大冲蚀速率减小了76.12％;当其质量流量由5 g/s增大到25 g/s时,最大冲蚀速率增大了3.84倍。当泵阀半锥角由30°增大到50°,阀盘升程由5 mm增大到15 mm时,最大冲蚀速率分别减小了95.55％与92.57％;随着阀座孔入口半径由30 mm增大到50 mm,最大冲蚀速率增大了10.47倍。同时,阀盘升程的增大还会显著影响冲蚀磨损区域的分布。结论 压裂泵泵阀的最大冲蚀速率随支撑剂粒径的增大先增大后减小,随阀座半锥角与阀盘升程的增大而减小,随支撑剂质量流量与阀座孔入口半径的增大而增大。其中,泵阀结构参数对泵阀冲蚀磨损的影响更为显著。     

高压隔膜泵单向阀阀隙流场的冲蚀磨损特性分析

目的 探究高压隔膜泵单向阀阀隙流场冲蚀磨损产生的原因及主要影响因素。方法 基于固液两相流基本理论和冲蚀模型,考虑颗粒保护效应及磨蚀效应,采用计算流体力学(CFD)方法模拟单向阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究矿粉颗粒体积分数、颗粒粒径、单向阀半锥角、胶垫突出高度等参数对单向阀冲蚀磨损特性的影响。结果 矿粉颗粒紧贴阀芯壁面的剪切运动是造成阀芯发生冲蚀磨损失效的主要原因。当矿粉的体积分数由0.1增大到0.5时,由冲蚀造成的最大冲蚀磨损速率随之减小,由磨蚀造成的平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径为0.025~0.048 mm时,随着矿粉粒径的增大,平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径超过0.048 mm时,平均冲蚀磨损速率逐渐减小。当单向阀半锥角由30°增大到45°时,阀隙流场的最大流速由12.23 m/s减小至9.19 m/s,矿粉颗粒对阀芯壁面的最大冲蚀磨损速率减小了41.16%。阀隙流场的最大流速和冲蚀磨损速率随着胶垫突出高度h的增大而增大,同时位置也发生了相应变化。结论 矿粉颗粒体积分数的增加会加重粒子对阀芯壁面的损伤程度,随着粒径的增加,泵阀的最大冲蚀磨损速率先增大后减小,增大半锥角可以缓解颗粒对壁面的冲蚀磨损,增大胶垫突出高度会导致冲蚀磨损区域逐渐向胶垫突出位置集中。     

基于CFD-DEM方法的变径T型流道冲蚀特性研究

目的 研究石油开采过程中,携砂压裂液对变径T型流道壁面冲蚀磨损规律及主要影响因素.方法 针对石油压裂管汇及井下喷砂器等工具中常见的变径T型流道的冲蚀问题,建立了基于CFD-DEM的变径T型流道固液两相流冲蚀磨损预测模型,该模型中颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞采用逆向迭代碰撞搜索算法,颗粒-流体耦合计算时间步长根据耦合收敛条件自适应调整.将数值方法与正交试验方法结合,分析各因素变化对均值主效应响应的优先排序和各因素的交互作用,并进行了单因素变化对冲蚀规律的影响.结果 单因素分析时入口流速增大,T型流道最大冲蚀速率和冲蚀面积均增大,冲蚀位置向支流道出口处移动,流体携带颗粒能力增强,堆积颗粒数量减小.砂比范围为5％～35％时,最大冲蚀速率与砂比正相关.最大冲蚀速率随粒径的增大而先增大后减小,随变径比的增大而减小.与最大冲蚀速率均值主效应分析结论一致,验证了正交试验结论的准确性.结论 径向流速、切向流速、管壁压力、最大冲蚀速率为衡量变径T型流道冲蚀程度的指标时,入口流速的影响最大,其次是支撑剂粒径、变径比、砂比,入口流速与其他因素的交互作用对冲蚀速率的影响最显著.     

煤炭地下气化生产井井口装置冲蚀规律研究

目的 研究煤炭地下气化生产井口装置采气过程中,携带煤灰、煤渣的粗煤气对井口装置采气流场区域冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于气–固两相流理论,采用离散相模型(DPM)描述离散固相颗粒的运动学和运动轨迹,采用雷诺–平均–纳维–斯托克斯(RANS)方程计算连续相的流体动力学特性,通过数值分析得到主要冲蚀磨损位置,以及固体颗粒粒径、颗粒质量流量、粗煤气流速的变化对采气流场区域冲蚀率的影响,并通过实验进行验证。结果 主要冲蚀磨损区域在小四通和侧阀Ⅰ的内部壁面。固体颗粒粒径为20～200μm,小四通内壁面处,颗粒粒径为40μm时最大冲蚀率最大,为8.7×10^–7 kg/(m²·s),是粒径为180μm时的11.9倍。固体颗粒质量流量为2.5×10^–4～12.5×10^–4 kg/s,小四通内壁面处,在质量流量为12.5×10^–4 kg/s时,最大冲蚀率最大,为7.3×10^–7 kg/(m²·s),是质量流量为2.5×10^{–4 ...}     

冰水两相流管道冲蚀磨损影响与防护

目的研究低温条件下冰晶颗粒随水流进入弯管并对弯管造成的冲蚀磨损,确定弯管关键防护区域。方法通过欧拉-拉格朗日双向耦合法,研究了冰晶颗粒的斯托克斯数、流速、粒径、质量流率以及管道弯径比对磨损特性的影响。结果冰晶颗粒的斯托克斯数会显著影响最大磨损率区域变化,当斯托克斯数由2.8增大至5.84时,最大磨损率区域由弯头内侧拱壁向弯头外拱壁与出口管道连接处转移,斯托克斯数高出或低于该范围时,最大磨损率位置不再发生变化,斯托克斯数的增加在一定范围内对最大磨损率没有绝对性影响。流速、粒径和质量流率的增大会使得最大磨损率不断升高,粒径和流速的变化会改变最大冲蚀磨损区域,而质量流率的改变对最大冲蚀磨损区域没有明显影响。弯径比的增大也会使得最大冲蚀磨损区域由弯头内拱壁向外拱壁与直管连接处转移,并降低最大磨损率。结论冰水两相流弯管的最大冲蚀磨损区域主要集中在弯头内拱壁、弯头外拱壁与出口直管连接处、靠近弯头侧壁三处,且大弯径比的管道可实现减磨防护。     

流线型孔板流量计液固两相流冲蚀磨损数值模拟

目的探究在管输液固两相流体时,固体颗粒对孔板流量计造成的冲蚀磨损。方法运用基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,对液固两相流体计量工艺中孔板流量计的冲蚀问题进行数值仿真,预测孔板流量计在液固两相流体流量计量工艺中易发生冲蚀磨损的区域。探究入口液相速度、固体颗粒粒径以及等数量颗粒冲击壁面时,固体颗粒粒径对孔板最大冲蚀速率的影响,并对比管输液固两相流体时,固体颗粒粒径对不同形状的孔板造成的冲蚀磨损速率大小。结果在孔板流量计的突缩管段易产生严重的液固冲蚀失效,最大冲蚀速率随着液相入口速度的增大而增加。当固体颗粒的质量流量相等时,最大冲蚀速率随着颗粒粒径的增加而减小;当单位时间内流经孔板的固体颗粒数量相等时,冲蚀磨损速率随着固体颗粒粒径的增加而增大。在液固两相流管道体系中,固体颗粒对凸型孔板造成的冲蚀磨损行为最弱。结论大颗粒对孔板的冲蚀磨损比较严重,在孔板计量过程中应严格注意。在流体中存在大量大颗粒时,采用凸型孔板流量计能有效改善冲蚀磨损情况。     

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.     

高温高压条件下流速对X70钢CO2冲刷腐蚀行为的影响

目的 研究X70管线钢在高温高压CO2饱和溶液中不同流速下的冲刷腐蚀行为。方法 通过流体动力学模拟的方法,获得不同喷射流速下壁面切应力的变化规律。采用喷射冲击试验装置,利用扫描电镜、表面形貌测试仪、维氏硬度仪等设备和失重测量方法,分析喷射速度对X70管线钢CO2冲刷腐蚀行为的影响。结果 随着喷射流速Uexit的增大,试样表面的壁面切应力和壁面压应力逐渐增大。随距喷射中心距离(径向距离)的增大,壁面切应力先增大后减小,壁面压应力急剧减小。在低流速(Uexit≤10 m/s)情况下,最大壁面切应力所对应的特征攻角大约为23°;当流速Uexit≥20 m/s时,特征攻角迅速增至45°左右,且变化很小。试样表面形貌表现出明显的三个区域:停滞区、过渡区、壁面喷射区,且在低流速下,三个区域划分更为明显。在20 m/s喷射速度下,壁面切应力呈现中心轴对称变化,为“M”形状,试样表面的冲蚀轮廓(冲蚀深度)呈现中心对称的“W”形状变化,大约在距中心滞点4 mm左右,即最大壁面切应力附近出现最大冲蚀深度,约55 μm。试样表面硬度随径向距离的增大而减小,中心停滞区硬度高达340HV10。喷射流速从10 m/s增加到40 m/s时,冲蚀速率由11.86 mm/a增加到32.97 mm/a。结论 X70管线钢的典型形貌特征与喷射流体的壁面切应力大小和CO2腐蚀有关,最大壁面切应力处产生的冲蚀最为严重,冲蚀速率(Rcorr)与喷射流体的流速呈现线性关系,即Rcorr=4.861+0.714×Uexit。     

稠油热采四通管冲蚀特性影响因素数值模拟研究

目的 对稠油热采过程中的四通管进行气固两相流冲蚀研究,基于不同影响因素分析其冲蚀变化规律,并构建四通管最大冲蚀速率的预测模型。方法 基于气固两相流理论,构建CFD-DPM-EPM数值模型,研究不同流速、颗粒质量流量以及颗粒粒径对四通管冲蚀的影响,预测四通管最大冲蚀速率发生位置及数值大小,并建立了关联流速、颗粒质量流量和颗粒粒径的四通管冲蚀速率数学模型。结果 在四通管的肩部位置即竖直管与水平管交汇处和竖直管的封闭端顶部两处存在冲蚀,冲蚀模拟结果与实际失效四通管相吻合。随着四通管入口流速的增加,其最大冲蚀速率呈指数形式增长;随着颗粒质量流量的增加,其最大冲蚀速率近似呈线性增长;随着四通管内颗粒粒径增大,其最大冲蚀速率先减小后增大,存在冲蚀速率最小的临界粒径。构建的四通管冲蚀数学模型拟合值同模拟值对比,吻合度很高。结论 四通管出口段肩部位置冲蚀速率高于封闭端顶部位置,肩部为冲蚀磨损高危区。因此在实际应用过程中要重点关注肩部的冲蚀磨损程度并及时进行防护处理,通过局部加厚或添加扰流内构件来减轻肩部冲蚀;同时要适当降低流速并尽可能减少颗粒夹带,以增加四通管使用寿命。     

基于试验和CFD模拟的稠油热采井口四通管冲蚀规律分析

目的 分析稠油热采中含砂流体对四通管冲蚀磨损问题,明确失效机理及特征.方法 采用金相分析仪对失效四通管损伤处材料ZG(J)35CrMo进行金相组织分析,并采用扫描电镜(SEM)对四通管进行冲蚀形貌微观检测,同时借助多相流冲蚀试验机对四通管材料ZG(J)35CrMo进行冲蚀试验,构建冲蚀预测模型,并通过单因素冲蚀试验对冲蚀预测模型进行验证.最后建立CFD-DPM-EPM(耦合计算流体动力学-离散粒子-冲蚀)数值模型,研究不同流体速度、颗粒粒径和质量流量对四通管冲蚀规律的影响.结果 金相组织分析结果显示,失效四通管材料基体组织成分为索氏体、铁素体和贝氏体,表面发生轻微脱碳现象.扫描电镜分析结果显示,失效四通管内壁有明显的砂粒冲蚀形貌,材料无明显的材质劣化及脆断现象.单因素冲蚀试验验证了回归分析法构建的冲蚀模型的准确性.随着流体速度由5 m/s增加至25 m/s,四通管最大冲蚀速率增加了16.947倍;颗粒粒径由0.05 mm增加至0.2 mm时,四通管最大冲蚀速率减少了50％,而颗粒粒径由0.2 mm增加至0.4 mm时,四通管最大冲蚀速率增加了1.382倍;质量流量从0.15 kg/(m2·s)增加至2.4 kg/(m2·s)时,最大冲蚀速率增加了16.584倍.结论 四通管失效主要由于颗粒冲蚀管道内壁,管道减薄到一定程度后,无法承受内部压力所致.四通管出口段肩部为冲蚀高危区.随流体速度的增加,四通管最大冲蚀速率呈指数关系增加;随着颗粒粒径的增加,最大冲蚀速率呈先减小后增大的趋势;当质量流量增加时,最大冲蚀速率呈线性关系增加.     

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。     

喷涂距离对等离子喷涂WC-12Co涂层抗冲蚀磨损性能的影响

为提高WC-12Co涂层抗冲蚀磨损性能,在Q235钢基体上采用大气等离子喷涂(APS)方法制备WC-12Co涂层,研究了喷涂距离对粒子温度与速度、涂层组织结构、力学性能及抗冲蚀磨损性能的影响。结果表明:喷涂距离对涂层质量影响较为明显,喷涂距离为130 mm时涂层质量较好,粒子速度与温度达到较好的配合,涂层抗冲蚀磨损能力较强。喷涂距离为120 mm与140 mm时涂层抗冲蚀磨损能力较差。550μm(30目)沙粒直径对涂层冲蚀磨损量大,沙粒速度为15.68 m/s比13.33 m/s沙粒速度冲蚀磨损量大;冲蚀角为60°时冲蚀磨损量最大,30°冲蚀磨损量最小。