磨料空气射流破煤冲蚀模型研究

进行预抽煤矿瓦斯时,采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象,降低瓦斯抽采率。为此,提出磨料空气射流破煤增透措施,提高钻孔利用率。为明确磨料空气射流破煤参数,采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算,分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响,考虑了反弹磨料二次冲蚀作用,建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型,采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟,分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律,建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统,使用(Laval)喷嘴,在不同气体压力条件选用标准的180μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验,获取了单位能量破碎体积参数,建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法,进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验,利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验,验证了冲蚀模型的准确性。对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析,结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力>扩散角>磨料密度>磨料粒径>磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中,未将受压条件放入模型中,今后将会进行相关实验,把受压条件作为修正系数,进一步完善该冲蚀模型。

金属材料FV520B冲蚀模型的建立与验证

为了用数学的方式描述金属材料的冲蚀率随靶材属性、颗粒属性、环境因素的变化规律,从颗粒冲击靶材的碰撞过程入手,通过求解颗粒运动方程和碰撞的能量方程,建立了基于微切削和变形磨损的塑性材料冲蚀模型。借助金属材料FV520B的正交冲蚀试验结果,利用回归分析法获得FV520B冲蚀率计算模型,并通过方差分析和单因素冲蚀试验对计算模型进行了验证。方差分析结果表明,该冲蚀率计算模型非常显著,由模型获得的冲蚀率计算值与单因素试验结果吻合程度较高,说明该模型在预测金属材料FV520B不同环境下的冲蚀磨损时具有较好的适应性和可靠性,研究结果对叶轮材料FV520B冲蚀磨损寿命的评估具有指导意义。

水下采油树AISI 8630材料的冲蚀模型研究

海洋开采油气中的固体颗粒会对水下采油树造成冲蚀磨损,致使其承压能力下降。为此,对水下采油树的常用材料AISI 8630的微观冲蚀机理进行了研究。通过扫描电镜拍摄了冲蚀坑表面微观样貌并采用冲蚀试验装置进行了气固冲蚀试验,系统地分析了颗粒粒径、冲击速度、冲击角度、冲击时长和颗粒质量流量5个因素对材料的冲蚀影响规律,得到了AISI 8630材料的冲蚀模型,并与DNV、E/CRC、Oka冲蚀模型及试验数据进行了对比分析。研究结果表明:当冲击角度低于15°时,冲蚀率随冲击角度的增大而增大,冲击角度在15°与30°之间时,冲蚀最严重,冲击角度大于30°时,冲蚀率随冲击角度的增大而逐渐减小;随着冲击速度的增大,冲蚀率呈幂式增长;当颗粒粒径小于200μm时,冲蚀率随颗粒粒径的增大而增大,当粒径大于200μm时,随着粒径的增大,冲蚀率基本维持稳定;AISI 8630材料冲蚀模型的最大误差为2.67%。所得结论能为海洋油气开采工程提供技术指导。

基于油井生产动态数据的出砂油井筛管冲蚀模型

筛管冲蚀损坏是油井常见的防砂失效形式,现有筛管冲蚀模型过于复杂,不能直接应用于在役油井筛管失效风险的量化分析。为了解决筛管冲蚀模型的现场应用问题,首先通过大量的室内实验数据拟合建立了冲蚀质量损失率的数学模型,并根据油田现场实际生产情况进一步简化模型,提出表征筛管冲蚀作用程度的参数C,建立了基于油井动态生产数据的筛管冲蚀失效分析的数学模型。以渤海Q油田为例,进行出砂油井筛管失效的计算分析,分析结果与现场测试结果完全一致,表明该模型可有效判断出砂油井井下筛管的工作状态。最后通过在役井C值与冲蚀临界值Ca的对比分析,形成了基于筛管冲蚀在役井的出砂风险预警方法,从而实现精准把控油田的出砂管理风险。

垂直气井生产管柱冲蚀模型仿真分析

冲蚀是石油石化行业造成管道损伤的常见原因,对冲蚀进行准确预测能减小其造成的损失,不同的冲蚀模型对同一种工况的冲蚀预测有很大的差别。本文选取三种常用的冲蚀计算模型:Finnie模型,sommerfeld模型和Tulsa模型,将这三种模型导入计算流体动力学仿真软件FLUENT中,对生产管柱中的直管进行冲蚀仿真并对仿真结果进行分析。结果表明:sommerfeld冲蚀模型与实验数据误差最小,Finnie模型和Tulsa模型所得的冲蚀速率均过小,与实验数据相差较大。由于大多数冲蚀模型只在特定的条件下冲蚀预测比较准确,因此,找到适用于不同工况下的冲蚀模型很有必要。

多尺寸维度挡砂单元筛管冲蚀损伤实验

基于不同流速作用下,金属网布筛管冲蚀破坏机理的不确定性,建立了中海油首套可控流速、可控砂比的冲蚀实验平台,开展了从金属单丝、金属网布到全尺寸筛管的不同尺寸维度试件的冲蚀实验,并基于大量的室内冲蚀实验数据分析,研究了不同冲蚀流速对筛管冲蚀破坏的影响机理,形成了不同流速下多维度的筛管冲蚀规律。研究结果表明,流速对筛管冲蚀破坏影响较大,在低冲蚀流速(≤7 m/s)下筛管冲蚀破坏不明显;在中冲蚀流速(7~15 m/s)下筛管冲蚀破坏受颗粒砂堵塞引起的局部“冲蚀热点”影响,冲蚀破坏明显;在高冲蚀流速(≥15 m/s)下筛管冲蚀破坏表现为射流切割效应,破坏时间短,破坏强度大。在此基础上,形成了海上防砂筛管的防冲蚀推荐做法,以指导海上油田筛管优选。该研究结果有助于提前分析生产工况下筛管破坏可能性,并为避免冲蚀的筛管结构优化提供理论参考。

大规模水力压裂过程中超级13Cr油管冲蚀预测模型建立

大规模水力压裂过程中,高速流动的携砂压裂液会对油管内壁造成冲蚀,导致油管壁厚减薄,承载能力降低。为了准确预测大规模水力压裂过程中油管的冲蚀速率,利用自制的冲蚀实验装置,采用0.2%胍胶压裂液与40/70目石英砂混合形成的液固两相流体,实验研究了冲蚀角度和流体流速对超级13Cr油管冲蚀速率的影响,建立了适用于大排量高砂比压裂的冲蚀预测模型,运用新模型,可以比较准确地预测注入总液量和排量对超级13Cr油管壁厚损失的影响。算例分析结果表明,大规模压裂过程中,超级13Cr油管的壁厚损失范围为0.2~1.3 mm,应该控制排量和砂含量,防止油管壁由于冲蚀而导致安全性降低。

金属网布筛网冲蚀预测几何模型优选

金属网布筛网是含砂油气田生产最常用的挡砂工具,含砂液流必然会对防砂筛管造成不同程度的冲蚀破坏,严重影响油井或气井的正常生产。针对防砂筛管几何结构复杂、冲蚀模型选择难等问题,基于流场相似理论提出了一种柱状多孔结构简化几何筛网模型,并以油井生产运行工况数据为依据优选了适宜的筛网冲蚀预测模型。在模拟中把油水考虑成均相,油水混合物密度采用含水率的加权平均来计算,油水混合物黏度按照具有较高精度的Mcadams公式计算。模拟结果与筛网喷射冲蚀试验数据进行了对比分析,发现ZHANG模型的计算结果与试验数据误差较小(16.57%),而DNV模型与OKA模型的结果与试验数据误差较大(26.4%和36.34%);DNV和OKA模型冲蚀区域比较集中,与试验结果不符,ZHANG模型下筛网的冲蚀相对发散,与室内试验比较相符。简化的几何筛网模型和优选的ZHANG模型具有较高的可靠性,可为井下筛网的选型、生产工艺设计提供参考。

基于全尺寸实物试验的90°弯管气-固冲蚀模拟研究

为保障管道安全运行,针对输气管道中90°弯管冲蚀破坏问题,构建全尺寸弯管气-固冲蚀试验装置,开展全尺寸弯管在气-固两相流作用下的冲蚀试验,并优选得到最佳冲蚀模型。采用ANSYS软件及有限元方法,建立基于最佳冲蚀模型及实测数据的90°弯管气-固冲蚀模型,开展不同气体流速、颗粒粒径、颗粒质量流量和弯径比下的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)冲蚀模拟试验,分析气体流速、颗粒粒径、颗粒质量流量和弯径比对90°弯管冲蚀行为的影响规律。结果显示:最大冲蚀速率与气体流速和颗粒质量流量正相关;颗粒粒径存在临界粒径,随着颗粒粒径的增加,最大冲蚀速率先增大后减小最后趋于平缓。弯径比与最大冲蚀速率负相关,且会改变最大冲蚀位置,即随着弯径比增加,最大冲蚀位置逐渐向弯管入口处偏移。通过灰色关联度可得出影响程度由大到小依次为气体流速、弯径比、颗粒质量流量和颗粒粒径。

基于高动态粒子冲蚀的火炮身管寿命研究

火炮在发射过程中,身管处在高温高压火药燃烧气体的烧蚀、冲刷和弹丸之间产生的机械磨损的综合作用下,导致内膛表面耗损退化以致改变了内膛结构尺寸。内膛尺寸变化特别是阳线减材逐步造成弹道性能丧失从而导致身管寿命终结,严重影响武器系统作战效能。基于一种动态粒子对塑性金属材料的冲蚀微切削理论,假设膛内高温高压燃气与固体药粒在坡膛处由于高速运动且速度方向与壁面之间有一定的夹角,将固体火药药粒视为一把微型切刀,当粒子碰撞并划过身管壁面材料表面时,材料被“切除”而产生损失,导致身管表面形成一定的冲蚀量,引起膛线起始部位严重冲刷磨损。基于此,提出了一种高动态粒子对内膛冲蚀的身管寿命理论。该理论基于火炮内弹道、身管内膛壁面传热模型和身管冲蚀量计算数学模型,通过求解内弹道和身管传热模型,获得火药颗粒的孔隙率、粒径和壁面温度变化规律以及内弹道特征参数和高动态粒子的分布规律。实践表明,采用在膛线起始部后某位置内膛增加集流锥的方法对高动态粒子冲蚀理论进行了试验验证,计算结果与试验吻合较好,证明了理论和模型的正确性。

海上油气井防砂筛管冲蚀规律和失效预测研究

防砂筛管冲蚀失效直接影响到海上油气井能否安全高效生产,实时掌控筛管冲蚀程度,预测筛管使用寿命是海上油气井生产安全的重要保障。通过设计管流式冲蚀实验装置,开展了筛网过流单元冲蚀实验,并基于冲蚀经典理论模型,拟合建立了筛管冲蚀速率模型;依据编织型过滤金属网布筛管结构特征,构建了完整结构的筛管外护罩、多层过滤筛网和打孔基管物理模型,应用计算流体力学流固耦合模拟器,研究网布式筛管冲蚀规律,预测生产工况下筛管冲蚀寿命,并进行了实例分析。研究结果表明,筛管冲蚀速率随含砂流体流速呈幂函数关系,随含砂浓度先线性增大后趋于平缓,随含砂粒径增大先增加后降低并趋于纯流体冲蚀速率。本文揭示的筛管冲蚀规律和建立的预测模型可为海上油气田防砂设计和安全生产提供理论依据。

弯管内气固两相流冲蚀特性数值研究

采用DPM(Discrete Phase Model)冲蚀模型,结合RNG k-ε湍流模型,对复杂的两相流动进行了三维冲蚀建模分析。在不同流动条件下,对气流风速(22~30 m/s)、颗粒直径(100~900μm)、颗粒球形度(0.2~1.0)和弯曲半径(1.5~3.5)进行了研究。结果表明,冲蚀率与气流风速和颗粒直径呈正比,与弯管弯曲半径呈反比。气流风速从22 m/s增加到30 m/s,最大冲蚀率增加了113.9%;颗粒直径从100μm增加到900μm,最大冲蚀率增加了65.8%;弯曲半径从1.5增加至3.5,最大冲蚀率下降了24.1%。随着颗粒球形度增加,弯管最大冲蚀率出现先增加后下降再增加的震荡趋势。为缓解管壁冲蚀效果,应优先考虑减少风速和颗粒球形度。

含砂热油管道温度与流速双耦合流态冲蚀规律对比分析

为研究集输管道中含砂稠油与低黏原油对弯管内壁的冲蚀规律,通过优化的离散相(DPM)冲蚀模型及管道薄壁传热结构,对含砂稠油与低黏原油在温度与流速耦合作用下的流动过程进行模拟。结果表明:在相同流速下,稠油的冲蚀速率随温度变化的规律与其自身雷诺数的变化趋势一致,且冲蚀区域随温度升高会不断扩大;低黏原油的冲蚀速率随温度的变化易受流态影响,其冲蚀速率在过渡区会出现明显的波动过程,但冲蚀区域面积变化不明显。在流速增加的情况下,低黏原油在湍流区的冲蚀速率增长幅度明显大于稠油,且油温越低,低黏原油的冲蚀速率增幅越大。在相同的湍流输送状态下,原油冲蚀速率的变化主要受流速的影响,并且油温的降低对弯管处的减蚀作用有限。

铁粉颗粒对TP347H不锈钢的冲蚀磨损特性研究

TP347H不锈钢常作为石油化工行业中的管道材料,在油气输送过程中,输送介质往往夹杂着固体颗粒,将造成管道内壁面发生磨损而破坏。考虑不同冲击角度、颗粒速度、颗粒质量流量及粒径等因素,基于冲蚀实验对Finnie冲蚀模型进行修正,探究铁粉颗粒对TP347H不锈钢的冲蚀磨损特性。研究表明:冲蚀实验中,冲蚀率随颗粒速度、颗粒质量流量的增加而增加,且颗粒速度、颗粒质量流量与冲蚀率遵循三次函数关系;当颗粒冲击角度为45°时,冲蚀率最大,颗粒冲击角度与冲蚀率呈指数函数关系;在指数n=2,模型常数k=1.272×10^(-6)修正条件下,采用DPM模型计算得到的冲蚀率与实验值的最大误差为10%,符合工程应用要求。修正后的Finnie冲蚀模型为TP347H不锈钢的冲蚀磨损特性研究提供了理论指导。

储气库管柱冲蚀理论及预测研究进展

储气库的管柱冲蚀规律较复杂,且冲蚀预测难度较大,开展循环注采工况下的储气库管柱冲蚀理论、冲蚀预测方法研究具有必要性及迫切性。目前,针对储气库强采强注工况下的管柱冲蚀报道极少。综述了塑性材料及气主导体系管柱冲蚀机理、冲蚀预测方法,对保障储气库管柱注采安全具有一定借鉴意义。以塑性材料冲蚀机理为出发点,详细介绍了适用于管柱塑性材料的微切削、变形切削、挤压-薄片、局部变形、二次冲蚀及靶面热熔等六大典型冲蚀理论,并汇总其优缺点。指出适用于储气库管柱的冲蚀准则(材料的临界冲蚀流量、临界冲蚀流速、表面延展性、质量损失、体积损失、强度衰减)及冲蚀表征指标(冲蚀比、临界塑性应变、冲蚀损失率、材料剩余最小安全系数),针对这些指标介绍了目前国内外典型的旋转式、射流式、管流式、单颗粒冲蚀式实验系统,以及基于实验数据的冲蚀预测经验模型,如使用频率最高的E/CRC模型和Oka模型等。描述了基于CFD预测冲蚀的普遍流程及不足,分析了基于人工智能预测管柱冲蚀的可行性,这对保障储气库安全高效注采具有一定的理论指导及现实意义。

固液两相流泵叶轮用Cr26高铬铸铁的冲蚀率模型及影响因素

采用正交试验方法对Cr26高铬铸铁进行了冲蚀试验,基于冲蚀率理论计算模型对试验数据进行多元非线性回归,得到了Cr26高铬铸铁的冲蚀率计算模型并进行了验证;通过试验和模型计算对冲蚀率随其影响因素的变化规律进行了定量描述。结果表明:所建立的Cr26高铬铸铁冲蚀率计算模型具有较高的准确性;冲蚀率随冲蚀角度的增大先增大后减小再略微增大,最大冲蚀率出现在冲蚀角度40°附近,在低冲蚀角度下磨损形式以切削磨损为主,在高冲蚀角度下磨损形式以变形磨损为主;随着固体颗粒粒径的增大,冲蚀率增大,切削磨损占比增大,变形磨损占比减小;随着冲蚀速度的增加,切削磨损占比减小,变形磨损占比增大。

用离散颗粒流数值模拟方法预测气井金属网布筛管冲蚀寿命

深水气井生产过程中高速流体携带储层砂粒冲蚀筛管易造成筛管防砂失效。目前室内挂片冲蚀实验仅考虑网布因素,预测的筛管冲蚀寿命误差较大。以气井出砂中常用的金属网布筛管为研究对象,建立全结构三维金属网布筛管数值模拟模型,利用离散颗粒流DPM方法模拟砂粒在筛管中流动冲蚀过程,分析不同流速和浓度下砂粒对金属网布速度分布和冲蚀速率影响,预测金属网布筛管冲蚀寿命。研究发现:(1)筛管冲蚀速率与流体速度呈指数关系,与含砂浓度呈线性关系;流速和含砂浓度越大,冲蚀速率越大;(2)筛网各层结构流速和冲蚀速率不同,入口流速0.5~2.0 m/s之间,第1层筛网流速和冲蚀速率是入口流速和冲蚀速率的2.32~4.20倍和10.91~15.96倍,第2层筛网流速和冲蚀速率是入口速度和冲蚀速率的1.60~2.10倍和3.00~5.58倍;(3)筛管冲蚀破坏首先发生在第1层筛网,筛管结构造成第1层筛网流速扩大是筛网冲蚀破坏的主要原因。利用离散流数值模拟方法预测不同流速下筛网冲蚀寿命,与现场监测寿命值对比,最小误差2.0%。该方法为气井金属网布筛管出砂冲蚀寿命预测提供新的技术手段。

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。

增韧陶瓷冲蚀研究的最新进展

综述了有关增韧陶瓷的准静态、弹塑性、点坑及屑片和速度坐标系冲蚀模型及其刀学分析。讨论了靶材韧性与硬度、冲蚀速度与冲蚀角、显微组织及相变增韧行为对冲蚀的影响规律的最新研究成果。对比分析了增韧陶瓷和传统陶瓷及金属材料的冲蚀规律的异同之处。

基于CFD数值模拟的异面三通管冲蚀磨损规律研究

针对管道在输送过程中,由流体中固态颗粒产生的冲蚀磨损导致的失效问题,通过CFD-DPM模型开展关于不同流速、颗粒直径、含砂体积比和异面管夹角对异面三通冲蚀磨损性能影响的分析。结果表明:三管交汇处的弯面是管道主要发生冲蚀磨损的位置,水平两管弯头上侧管壁处是受损最为严重的部位;在流速2~10 m/s、含砂体积比1%~9%、异面管夹角90°~150°、颗粒直径0.1~0.5 mm时,管道的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下,含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,高流速下,最大冲蚀率与含砂体积比呈线性正相关;异面管夹角的增大降低了管道对固体颗粒的流动约束性,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随颗粒直径的增大整体呈现平缓上升的趋势,大颗粒产生的冲蚀破坏相比小颗粒更为集中一些。