控压钻井节流阀液-固两相流冲蚀预测及验证

运用欧拉-拉格朗日法和离散相模型,预测了节流阀内部粒子运动和分布规律,利用半经验冲蚀模型求解了颗粒对阀芯的冲蚀率,并设计相关实验验证了数值模拟的准确性。结果表明,数值模拟能够较为精确地预测节流阀阀芯的冲蚀轮廓;5 h以内的预测冲蚀损失量与实验数据贴合度很高,5 h以后的预测数据经合理修正后与实验结果相近,随冲蚀时间增长,预测误差逐渐减小,最终达到1%以下;该模型能够用于预测控压钻井节流阀复杂流场的冲蚀,有望为控压钻井节流阀的进一步优化设计提供参考。

加氢高压空冷器全流场数值模拟和冲蚀预测

针对加氢装置的实际工况,运用ASPEN软件计算空冷器入口多相流的物性参数。运用Fluent软件中的Mixture模型、标准k-ε湍流模型和近壁面低Re模型,对空冷器入口管道、法兰、管箱、管束进行全流场数值模拟,对上、下两排空冷管束的流速和水相分率进行综合分析,实现冲蚀预测。计算结果表明:多相流流经空冷管箱时,会在法兰两侧形成大的漩涡,导致偏流;位于法兰左、右两侧的管束,出口位置水相分率的最大值分别偏向管束底部的左侧和右侧;上排易冲蚀的管束主要集中在正对法兰出口及管箱两侧,下排易冲蚀的管束主要集中在正对法兰出口。数值模拟结果与远场涡流检测、失效管束的解剖结果高度吻合,证明了预测方法的可靠性。

试油过程中地面设备冲蚀预测与预防

油气井试油和油田生产过程中,油田地面设备经常会由于冲蚀而出现问题、甚至损坏。通过分析冲蚀数学描述形式和主要预测模型,提出了预防冲蚀的方法。为油田进行设备的维护提供了重要的参考依据。

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。

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。

基于气—固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian坐标系下求解气体连续相流场,在Lagrangian坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center(E/CRC)冲蚀模型以及Grant和Tabakoff颗粒—壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明:①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。

基于CFD对60.3 mm弯管冲蚀仿真预测

目的提高工业生产过程中弯管冲蚀预测可靠度。方法在拉格朗日坐标系,通过CFD-DPM模型求解在流体作用下固体颗粒对弯管的冲蚀问题,并利用冲蚀方程研究流体速度、固体颗粒直径和固体颗粒质量流量分别与弯管冲蚀之间的关系,预测弯管最大冲蚀位置及模拟数值。结果通过仿真得到弯管冲蚀最大冲蚀位置主要集中在弯管出口的水平两侧和弯管入口的垂直两侧。随着固流体速度u由8 m/s增大至18 m/s时,固体颗粒对弯管的最大冲蚀速率增大了9.912倍;冲蚀固体颗粒的质量流量f由0.2 kg/s增大到0.8 kg/s时,弯管最大冲蚀速率增大了4.527倍;当仿真过程中固体颗粒直径由200μm增大到900μm时,弯管的最大冲蚀速率增大了3.94倍。结论当固体颗粒直径、固体颗粒速度和固体颗粒质量流量不变时,弯管冲蚀随着流体速度的增大而增大,弯管冲蚀区域在弯管出口水平位置逐渐增大。当固体颗粒直径增大,流体速度固体颗粒质量不变时,固体颗粒在惯性力作用下,弯管肘部的冲蚀逐渐增大,弯管出口水平两侧冲蚀逐渐减小。弯管冲蚀在固体颗粒质量流量增大时,呈增长趋势。

基于流动分析的REAC管束冲蚀破坏预测方法

在腐蚀性多相流管束冲蚀机理研究基础上,提出反应流出物空冷器管束冲蚀破坏预测的CFD数值模拟方法。通过建立多相流体动力分析的物理模型、控制方程及求解格式,结合壁面相态分布规律及边界层流动综合分析方法,获得管束冲蚀破坏的流体动力学参数分布,从而判断易发生冲蚀破坏的位置和发展趋势。数值算例与实际失效管束解剖研究结果对比表明,该方法能有效地模拟腐蚀性多相流介质的冲蚀破坏行为,并可为在役工业管道的冲蚀破坏预测提供数据支撑。

基于IPSO-SVR模型的弯管部冲蚀率预测

工业管道的运行过程中,不可避免地会发生管道的冲蚀磨损作用,尤其是弯管部位,进而导致失效的发生。面对该问题提出了一种基于IPSO优化SVR预测模型IPSO-SVR,该模型能够准确地预测弯管部的冲蚀率,能够为管道的剩余使用寿命预测以及制定维修策略提供强有力的支持。首先对PSO以及IPSO算法性能进行比较,再对弯管部冲蚀数据集利用IPSO-SVR模型进行预测,结果表明,相较于SVR模型,IPSO-SVR模型更为准确。

弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理。建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用。以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造。

流动冷却水对船舶管路的冲刷加速腐蚀机理

为研究船舶冷却水管路流动冲蚀失效过程,明晰冷却水管路易发生腐蚀破损的薄弱部位,建立船舶冷却水系统管路数理模型,采用基于CFD数值模拟的方法研究冷却水管路系统压力场和流速场运行特性,结合引发流动冷却水冲蚀管道的机理,得到弯头、三通管等易损部位的流速、湍动能、剪切应力和压力的参数分布。分析冷却水管路内流场,判定三通管流出支管易遭受冲击腐蚀和冲刷腐蚀,三通管焊缝区域易遭受空泡腐蚀,弯管中游靠内壁区域受冲击腐蚀、冲刷腐蚀和空泡腐蚀。

加氢高压空冷器全流场数值研究

针对某加氢装置高压空冷器发生的管束泄漏问题,运用CFD(Computational Fiuid Dynamics)软件对空冷器整体结构进行全流场数值模拟,对冲蚀位置进行预测,并研究了管箱内部及管束与管箱连接处的流场。结果表明:入口管束对称平衡布置能够使空冷器各管束内的速度趋于均匀分布;第一管程上排和下排易被冲蚀的部分为进口管两侧的管路;管箱在第一管程区域内的水相分布十分不均匀,水相含量高的区域大致呈人字型分布;管箱中的速度大小分布不均,由上到下速度逐渐减小,管束与管箱连接处存在很大的速度梯度,管束前端速度不稳定区长约80~120 mm。