深水测试平台地面管道冲蚀速率预测模型

深水测试平台地面管道易受高压携砂介质冲蚀损伤,准确预测其冲蚀速率,对保障其运维安全具有重要意义,但常用Tulsa冲蚀预测模型主要针对碳钢和铝材,不适用于深水测试平台地面管材为低合金钢AISI4130特殊材质的冲蚀预测。为了扩大Tulsa模型在深水测试平台地面管道冲蚀速率预测的适用性,采用显示动力学方法建立了颗粒冲击靶材的有限元模型,考虑颗粒冲击速度与冲击角度对冲蚀预测模型关键参数的影响,从而改进Tulsa模型中的关键参数,最后将改进后的冲蚀速率预测模型计算结果与文献实验数据以及Tulsa模型计算结果进行了对比。结果表明:①颗粒冲蚀靶材的机理主要是切削和变形磨损,冲蚀速率随颗粒冲击角度增大呈先升高后下降趋势,最大值出现在30°;冲击速度增加引起冲蚀速率呈幂函数升高;②通过模拟颗粒多角度冲击靶材的情况,得到了更加准确的颗粒冲击靶材的分段多项式函数,相较原Tulsa模型仅通过10°与15°两种冲击角度试验,拓宽了Tulsa模型在深水测试平台地面管道冲蚀速率预测的适用性,其中分段角度为30°,与冲蚀速率最大值出现在30°的冲击角度相对应;③颗粒冲击速度较大时(大于10m/s),改进后的预测模型计算结果优于Tulsa模型计算结果,且相对误差随冲击速度的升高而减小,表明本文预测模型适用于深水测试平台介质高速流动的实际工况。

冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率影响实验研究

利用自制的喷射式冲蚀实验装置,在胍胶压裂液与40/70目石英砂混合形成的液固两相流体中,研究了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率的影响。采用扫描电镜分析了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管的冲蚀形貌的影响。实验结果表明,超级13Cr油管冲蚀速率随喷射速度的增大呈幂率关系增长。冲击角度为30°时超级13Cr油管的冲蚀速率最大,但幂指数较小;冲击角度为45°时,冲蚀速率居中,但幂指数最大;而冲击角度为90°时,冲蚀速率最低,幂指数最小。扫描电镜分析结果表明,在较小的冲击角度和较高的喷射速度下,石英砂颗粒对超级13Cr油管表面产生了较深的切削犁沟。而在较大的冲击角度和较高的喷射速度下,超级13Cr油管表面产生微裂纹,主要损伤机理为冲击锻打造成的材料挤压成片脱落。

防砂筛管滤网介质冲蚀试验及冲蚀速率预测模型

为了研究金属滤网类挡砂介质的冲蚀破坏机理、主要控制因素及其影响规律,基于复合完井筛管中的多层金属滤网挡砂介质,开展了系统的冲蚀模拟试验。研究结果表明:多层金属滤网的冲蚀破坏机理包括正面的啃噬点蚀机理和侧向切削冲蚀机理,冲蚀初期以正面啃噬为主、侧向切削为辅,孔洞形成后转变为侧向切削为主;金属网布冲蚀速率随冲蚀介质流速呈非线性升高,随地层砂粒径中值和含砂体积分数呈线性升高;高精度介质小角度冲蚀速率高于正面冲蚀,而中低精度介质冲蚀速率在40°~60°时最高,正面及小角度时均相对较低;提出的多层滤网挡砂介质冲蚀速率预测模型拟合精度较高,模型考虑了外界冲蚀条件和滤网结构特征,气体携砂与液体携砂时模型的拟合系数分别为0.898 7和0.908 9。所得结论可为多层金属滤网复合筛管的滤网介质冲蚀破坏预测提供参考。

高压管汇冲蚀速率数值模拟新方法研究

目前关于冲蚀速率的计算还是以半经验计算模型为主,各模型预测的结果并不是很精确,DPM模型忽略了离子间碰撞的影响,且在固相颗粒体积分数较高时预测的准确性有限。为此,使用CFD方法,分别采用DPM模型和DDPM模型,分析了弯径比、压裂工况参数、固相颗粒物理特性及颗粒斯托克斯系数对高压管汇冲蚀速率及冲蚀区域的影响。研究结果表明:DDPM模型考虑四相耦合,考虑了颗粒之间的碰撞和作用力,在模拟颗粒轨迹上要优于DPM模型;最主要的冲蚀区域还是弯头出口外壁区域,颗粒形状系数小于0.5时,在弯头15°~45°偏转角截面冲蚀减轻,影响冲蚀区域的因素是弯径比和颗粒粒径;在斯托克斯系数St>1与St<1时颗粒轨迹出现明显差别,冲蚀区域出现一定改变。所得结论对高压管汇的结构改进及剩余寿命评估具有理论和工程应用意义。

冲蚀速率对混凝土表面损伤的影响

为探明冲蚀速率对混凝土表面损伤的影响,使用自制挟沙水流装置开展加速冲蚀试验。结果表明混凝土单位面积质量损失、表层孔数量、孔径、孔面积、孔体积等表面损伤指标均随冲蚀速率增加而增加,其中孔体积增量、孔面积比增量与冲蚀速率的变化趋势接近,冲蚀作用下孔洞体积的增加以0~1mm范围内的孔洞宽度扩展为主。研究结果为冲蚀作用下混凝土表面损伤发展和冲蚀混凝土结构的耐久性研究提供了参考。

多分散液滴对涡轮叶栅湿蒸汽流冲蚀速率和凝结损失影响的数值研究

在各种技术和环境过程中对冷凝流的综合感知是至关重要的,也是许多设计工程师的主要关切。由于过程的高度复杂性和缺乏先进的实验技术来检查所涉及的每一个细节,涉及冷凝的流动对设计师和科学家来说都是具有挑战性的。均匀成核过程形成的自发缩合是各种应用中常见的现象。在汽轮机流动中,凝结现象引起复杂的液滴光谱可以跨越两个数量级以上的大小。液滴尺寸的分布是解决和最小化涡轮机蒸汽中湿蒸汽效应的基本信息。湿蒸汽的影响是能量损失、叶片侵蚀和由于相变区的腐蚀效应而导致的叶片失效,从而导致涡轮增压减少效率和可靠性。

QT1100连续油管钢的抗液固两相流冲蚀性能

采用含砂粒清水混合液(携砂液)对QT1100连续油管钢进行液固两相流冲蚀试验,研究了携砂液冲刷角度(15°,30°,45°,60°,75°,90°)、冲刷速度(2.4,7.2,12.0,16.9 m·s^(−1))、砂质量浓度(15,30,45,60,75 kg·m^(−3))、砂类型(尖角形天然石英砂、近圆形人工陶粒砂)和砂粒径(0.063~0.420 mm)对试验钢抗冲蚀性能的影响,分析了冲蚀损伤机理。结果表明:在试验参数下冲蚀后,试验钢均主要发生机械冲刷磨损,损伤机理均包括微切削和冲击挤压,其中小角度冲刷以微切削为主,大角度冲刷以冲击挤压为主。试验钢的冲蚀速率随着冲刷角度或砂粒径的增大先增大后减小,在45°冲刷角度或者0.15~0.18 mm粒径天然石英砂条件下试验钢的冲蚀损伤最大;冲蚀速率随着冲刷速度增大而增大,随着砂质量浓度增加先增大,当砂质量浓度为60 kg·m^(−3)时减小,随后快速增大;相较于近圆形人工陶粒砂,尖角形天然石英砂的冲蚀速率更大,对试验钢的冲蚀磨损更严重。

基于气-固两相流喷嘴实验的20G钢冲蚀机理研究

目的由天然气管道内壁减薄及穿孔导致的天然气泄漏事故频繁发生,输气管道面临着日益严重的冲蚀磨损问题。针对这一问题需要明确输气管道材料的冲蚀行为及机理,为抗冲蚀材料设计和延长管道使用寿命等工作的开展提供有效支撑。方法基于ASTM-G76测试标准,采取气-固喷嘴冲蚀试验研究方法,利用空气射流冲蚀实验机,开展不同冲击角度和冲击速度下天然气管道材料20G钢的气-固冲蚀实验;采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪等设备分析试样表面冲蚀形貌及特征;采用Ahlert冲蚀模型对实验数据进行拟合,建立20G钢的冲蚀率方程。结果当冲击速度(15~72 m/s)增大时,冲蚀率随之增大。当冲击角度(15°~90°)增加时,冲蚀率随之减小。冲蚀面积随着冲击角度的增加而减小。在低冲击角度下(15°、30°),固相颗粒的“犁削”为主要冲蚀及材料移除机制。在中等冲击角度下(45°、60°),冲蚀机制呈现混合形式,犁削、压实与开裂共同作用于材料表面。在高冲击角度下(75°、90°),以压实和开裂为主要冲蚀及材料移除机制。结论在气固两相流作用下,20G钢的冲蚀磨损过程符合典型的塑性材料冲蚀规律。颗粒冲击速度不会直接影响冲蚀机制,颗粒冲击能量的变化是影响冲蚀率的主要因素。建立了适用于天然气管道材料抗冲蚀性能对比和CFD冲蚀模型的冲蚀速率方程。

压裂弯管冲蚀磨损数值分析

压裂管汇是整个压裂系统的血脉,在高负载、长周期的连续作业条件下,压裂管汇易发生刺漏、爆裂和密封失效等事故。管汇元件失效会严重影响压裂作业的进度,制约油气开采的效率和经济效益,甚至会威胁到现场施工人员的人身安全。文章建立了不同安装角度下的压裂管汇活动弯头三维仿真模型,研究了不同安装角度、颗粒的质量流量和粒径下压裂管汇的冲蚀磨损规律,并对影响压裂管汇冲蚀效果的结构参数进行多因素优化分析。结果表明:活动弯头当进出液口夹角θ为120°时,压裂管汇的冲蚀磨损程度最低;颗粒质量流量和粒径越大,对压裂管汇冲蚀磨损影响越严重;经CCD响应面法回归分析,影响冲蚀磨损速率的因素权重为管汇直径>弯头角度>弯径比。

储气库Y型井口携砂采气临界冲蚀模拟研究

目的研究储气库携砂采气过程中储气库生产通道冲蚀磨损的主要影响因素及规律。方法在辽河油田双6储气库注采井管柱结构和生产工况条件下,开展室内冲蚀模拟实验和生产通道冲蚀数值模拟研究,通过数值分析,明确采气速度、生产压力、出砂速率、出砂粒径对管柱冲蚀速率的影响规律。结合临界冲蚀理论计算结果,设计适用于出砂工况条件下储气库生产通道临界冲蚀系数取值的图版。结果出砂速度、采气速度、生产压力在管柱冲蚀中起着主要作用,实验数据与预测结果的一致性较高,管柱最大冲蚀速率与日产气量的二次幂、井筒内压力的负二次幂、出砂速率的一次幂成正比。此外,管柱变径部位的冲蚀速率随着服役时间的延长呈下降趋势,最终与管壁的冲蚀速率基本保持在相同数量级。根据构建的临界冲蚀系数取值图版,在当前储气库出砂工况条件下,为了保证储气库满足服役年限,将临界冲蚀系数(C)取值为180,进一步考虑到储气库的最大产能情况,推荐C介于175~200之间。结论通过储气库管柱冲蚀的实验模拟和数值模拟研究,建立了储气库注采井管柱的冲蚀速率模型,构建了储气库注采管柱临界冲蚀系数设计图版,有利于工程技术人员准确判断实时生产工况条件下储气库注采管柱的生产工况负荷、服役安全工况条件等,可以提供关键的实时性、安全性基础数据。

液固两相流对高压活动弯头的冲蚀磨损研究

为探究水力压裂作业中各因素对活动弯头的冲蚀磨损规律,基于液固两相流理论,利用FLUENT软件研究压裂液流速、颗粒质量流量、颗粒直径、安装角度、公称直径、连接长度、曲率半径对活动弯头冲蚀速率的影响。结果表明:活动弯头易冲蚀区域主要集中在弯头外侧,其最大冲蚀速率和平均冲蚀速率随流速、颗粒质量流量、颗粒直径的增大而增大,随安装角度、公称直径的增大整体上逐渐减小,安装角度位于90°~180°时,最大冲蚀速率和平均冲蚀速率较小且变化平缓;随曲率半径的增大,最大冲蚀速率整体上先减小后增大,平均冲蚀速率逐渐减小;连接长度对最大冲蚀速率和平均冲蚀速率的影响较小。研究表明,压裂液流速是导致冲蚀速率增加的主要因素,通过合理调整压裂液流速可以大大降低活动弯头的冲蚀磨损。该研究结果可为活动弯头的现场使用、冲蚀防护、结构改进及优化提供参考。

基于CFD-DPM模型的T型网式过滤器冲蚀特性模拟与分析

为分析滤网冲蚀情况,采用多孔阶跃模型和滤网缩尺模型,结合CFD-DPM两相流模型通过主因素分析方法对滤网冲蚀速率规律进行数值模拟分析与预测,探求整体不同区域滤网的冲蚀效应情况,并通过基于正交试验的多因素主效应分析得出各因素对最大冲蚀速率的影响显著性大小.结果表明:在一定范围内最大冲蚀速率与颗粒粒径呈负相关而与质量流率、流速呈正相关;滤网表面中滤孔面普遍比迎水面更易受冲蚀破坏,背水面几乎不受冲蚀影响;颗粒粒径、质量流率对冲蚀高发区域范围大小影响较小(面积增幅为15.0%~16.7%),而流速对其影响较明显(面积增幅为50.0%);显著性检验中,流速、质量流率、颗粒粒径对最大冲蚀速率的P值分别为0.01280,0.00269和3.712×10^(-9),均呈显著性相关.

粉煤灰气力输送U型弯管冲蚀磨损规律研究

[目的]研究粉煤灰气力输送过程中灰尘颗粒对U型弯管的冲蚀磨损特性和颗粒运动情况。[方法]利用fluent软件中的DPM模型对U型弯管气力运输过程进行冲蚀磨损分析,通过建立U型弯管的数学和物理模型,分别针对不同的气体进口速度、灰尘颗粒粒径、颗粒质量流量和U型弯管转弯曲率半径等进行数值模拟分析。[结果]结果表明,当气体进口速度、颗粒质量流量增大时,最大冲蚀速率逐渐增大,且增长幅度明显;当转弯曲率半径增大时,最大冲蚀速率减小;当颗粒粒径增大时,最大冲蚀速率呈现先增大、后减小、再增大的趋势。[结论]研究成果可为U型弯管的设计和维护提供技术支持。

三效蒸发结晶系统管道设计和弯头防冲蚀研究

在湿法烟气脱硫工艺蒸发结晶单元,管道内介质流动以液固两相流体为主,设备布置及管道设计不合理易造成固体颗粒析出沉积,对管道、弯头等存在一定的冲蚀磨损。从工程实际出发,系统梳理了某装置蒸发结晶系统主设备的平立面布置、管道设计,并采用流体流动模型(CFD),对影响装置长周期运行的不同曲率半径的弯头冲蚀情况进行模拟分析验证,研究管道内的流体速度场分布、压强分布、粒子运动轨迹和冲蚀速率分布图,证明使用3D、6D等曲率半径弯头,能有效减少流体中固体粒子对管道的冲蚀磨损,保证装置的长周期运行。

钛合金弯管的冲蚀模拟及其仿生优化设计

针对冲蚀磨损及腐蚀导致的弯管刺漏、破裂等问题,文章以钛合金弯管为例,通过有限元模拟软件分析了弯曲角度、曲率半径、流体速度、粒径和质量流量对弯管最大冲蚀速率的影响规律。模拟结果表明,弯管易冲蚀磨损的区域主要分布在弯头的内壁面外侧区域,且随着弯曲角度的增加,易冲蚀区域的位置逐渐向出口靠近;最大冲蚀速率整体随曲率半径的增大而减小;最大冲蚀速率的变化对低速流体的流速更敏感;粒径对最大冲蚀速率的影响是由砂粒质量和砂粒数量两者共同决定的,且粒径的变化不会改变易冲蚀区域的位置;最大冲蚀速率随质量流量的增大而增大,最终趋于平缓。最后从仿生学角度出发,以自然界的沙漠红柳树皮为仿生原型,对易冲蚀磨损部位进行结构优化,以期延长钛合金弯管的使用寿命。

T型三通管中液固两相流冲蚀规律的研究

在输送流体的过程中,管道介质所携带的一些微小固体颗粒,会对管道壁面造成冲蚀磨损甚至发生穿孔现象,进而造成管道泄漏。本文采用流体动力学方法,运用DPM冲蚀预测模型,研究了固体颗粒速度、颗粒直径、含砂率对T型三通管冲蚀速率的影响,分析了冲蚀磨损规律,以确定管道中冲蚀磨损最严重的部位。结果表明,流体速度越大,含砂率越大,最大冲蚀速率越大,对管道壁面造成的冲蚀磨损越严重。T型三通管发生腐蚀最严重的部位是竖直管道与水平管道的交汇处。

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。

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。

T型弯头不同工况的冲蚀磨损数值模拟研究

运用Fluent软件中的DPM模型对不同固体颗粒浓度和入口速度情况下的T型弯头冲蚀磨损进行数值模拟研究。通过数值模拟得出T型弯头中流场分布情况以及严重冲蚀部位。结果表明,在盲管区域产生旋涡,充当保护垫作用,减缓壁面冲蚀;在相同颗粒浓度情况下,T型弯管的冲蚀速率随着入口速度的增大而非线性上升,严重冲蚀区域的尺寸将发生变化;在相同入口速度下,T型弯头的冲蚀速率随着颗粒浓度的增加而接近于线性上升,严重冲蚀区域的尺寸几乎不变。

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。