3000型壓裂車高壓管匯疲勞強度仿真研究

吳 星

（柳州職業技術學院 機電工程系，柳州 545006）

0 引言

石油作為工業發展的“血液”，對國家的經濟發展有著十分重要的作用。目前我國許多陸上油田的開發已進入到中后期，并且在已探明的油氣藏中低滲油氣資源占有很大的比重，酸化壓裂作業作為油田增產的主要方式，對提高后期生產井及低滲透油氣田的產量有非常重大的意義[1]。然而，隨著非常規油氣開采進程的加大和作業深度的增加，壓裂作業中工作壓力也不斷的增大，比如3000型壓裂車的壓裂作業輸出壓力最高可達到140MPa，這就在客觀上要求壓裂技術裝備有更高的安全性、可靠性和耐久性。高壓管匯作為壓裂作業中的核心部件，其彎頭部位為較薄弱環節，在工作過程中可能會承受上百兆帕的壓力、高速運動固相粒子的沖刷、流體腐蝕、壓力波動以及迂回管匯轉折引起的拉壓應力作用，加劇彎頭、變徑區域和連接部位的應力集中程度，在較高的沖擊壓力和反復的交變載荷作用下，誘發疲勞裂紋或應力腐蝕裂紋，一旦擴展到外表面即引發高壓管匯件的刺穿和破裂，使管內高壓流體外泄，對現場作業人員和設備構成嚴重威脅[2～3]。為此，本文利用計算流體動力學軟件CFX對壓裂作業高壓管匯彎頭處流場進行了仿真分析，揭示了其沖蝕失效機理并提出相關降低風險的措施。

1 沖蝕疲勞現象及其機理

1.1 沖蝕疲勞破壞現象

從油田已失效破壞的壓裂作業高壓管匯可以看出，沖刷及磨損腐蝕破壞主要位于彎頭外拱內層和靠近彎頭的直管端部及變徑段。受到破壞的彎頭外供內壁附近表面呈現出溝洼狀、條紋以及麻坑，且呈現出一定的方向性，沖刷腐蝕形成的坑點處較其他部位顏色光亮[4]。從其剖切面可以看出，外供內側壁厚有明顯減薄。

1.2 沖蝕疲勞機理

高壓管匯彎頭受到的破壞是由于沖蝕疲勞引起的，沖蝕對管匯彎頭表面的破壞主要是機械力產生的，其次是腐蝕因素。高速壓裂液中攜帶的支撐劑（陶粒砂），具有較大的動能且其硬度大于被沖蝕的管匯的硬度。當固體粒子撞擊彎頭表面時，會造成短程的微切削和塑性變形的坑，在若干粒子的長時間沖擊下就會形成磨損[5]，當流速很高時，甚至水滴等軟粒子也會造成沖蝕，加之較高壓力和反復應力作用甚至會使得管匯容易產生疲勞斷裂。壓裂液中固體顆粒在管彎頭處的運動狀態示意圖如圖1所示。

圖1 管彎頭處壓裂液運動狀態示意圖

1.3 固體顆粒沖蝕的預測及疲勞壽命分析

1.3.1 沖蝕的預測

目前顆粒沖蝕過程的三個階段已經有了比較成熟的模型。對初始階段的流體攜帶顆粒流動沖擊管道過程進行建模，可以推導出流體施加在顆粒上的牽引力，對預測大量顆粒的軌跡起著重要作用。一般使用經驗公式或者失效模型來評估單獨顆粒沖擊管壁時造成的損傷，從而推廣至大量固體顆粒造成的沖蝕深度和分布情況的分析。

對于管匯受到顆粒沖蝕的問題，已經有很多種預測方法包括預測顆粒運動軌跡的方法。常用計算流體動力學軟件CFD對流體的流動進行建模，通過追蹤顆粒運動的軌跡，在復雜結構表面預測沖蝕分布表現出了很好的效果。CFD模型所采用了Huser和Kvernvold提出的理論公式[6,7]：

其中，E為沖蝕率；

Vp為顆粒的沖蝕速率；

mp為沖擊顆粒的質量；

K，n為常數；

F()為顆粒沖擊角函數，[0，1]。

圖2 α與F(α)之間的函數關系

1.3.2 疲勞壽命分析

計算曲線法由于在很多疲勞壽命分析計算方法中，工作量小且對設備的要求較低，因此得到了廣泛的使用。

式中， 為應力幅值；

E、N為分別為彈性模量和載荷循環次數。

由于壓裂管匯的疲勞屬于高周疲勞情況，由于存在平均應力的影響，需要對 進行修正，其修正關系式為：

2 高壓管匯彎頭處流場模擬分析

2.1 建立管彎頭三維實體模型

以國內某知名石油機械廠3000型壓裂車用某段管彎頭作為研究對像，以實際尺寸參數在三維造型軟件PRO-E中建立分析對象的三維實體模型。油田現場壓裂作業用高壓管匯彎頭尺寸及性能參數如表1所示，仿真管彎頭實體及三維模型如圖3和圖4所示。

表1 高壓管匯彎頭尺寸及性能參數

圖3 高壓管匯彎頭實物

圖4 三維模型

通過Pro/E與ANSYS Workbench的無縫接口，將模型導入到Fluid Dynamics環境下的CFD模塊中，建立管彎頭內高速流體攜帶顆粒的流域模型[8]，在ICEM CFD中進行流域網格劃分，如圖5所示。

設置流域邊界條件，入口壓力86MP，出口流速4.38m/s，無滑移壁面設置。

圖5 ICEM CFD中流域網格劃分情況

2.2 CFD仿真分析結果

2.2.1 流速場模擬結果

從流速場分析結果的中心對稱截面如圖6所示，可以看出在高壓管匯彎頭內弧面處都出現了漫流區，在此區域里流體的速度發生了改變，流速達到最大值為5.1m/s，外拱面和內弧面處的流速都大于主射流區的速度。雖然流速場模擬中顯示最大流速出現在內弧面，由于壓裂液中存在固體支撐劑（陶粒砂），在壓裂液的高速帶動下，其主要與外拱內壁面發生碰撞導致沖刷，因此在高壓管匯彎頭處最容易發生沖蝕、磨損失效的部位出現在外拱內壁面處。

圖6 管彎頭流速場模擬結果

2.2.2 壓力場模擬分析結果

高壓管彎頭中心截面壓力場分布情況如圖7所示，模擬結果顯示，流場的最大壓力區分布在管彎頭外拱內壁面區域，同時彎頭內弧面出現了相對負壓區。結合實際壓裂管匯大量失效案例，彎管頭部位的破壞主要表現為外拱內表面的沖蝕和沖蝕部位應力集中而引起的開裂以及外側壁厚的減薄現象，從而證明，壓力差加劇了管彎頭外側的破壞程度。

圖7 管彎頭流域壓力場模擬結果

3 管匯流固耦合及疲勞壽命分析

在完成壓裂高壓管匯彎頭區域的內部流場數值仿真模擬后，將得到的流場對高壓管匯內壁形成的壓力場數據通過ANSYS固液耦合模塊完成數據的導入，在靜力結構分析模塊中設置管匯的邊界約束條件，對高壓管匯彎頭區域的強度進行分析，分析應力結果云圖如圖8所示。

圖8 管彎頭區域應力云圖

從圖8高壓管匯彎頭截面處應力云圖分布結果可以看出，應力最大區域集中在高壓管匯彎頭外拱內壁區域，且該區域出現了減薄情況，該結果與流場分析結果完全相吻合，證明了仿真分析的準確性。同時，應力分析結果將對高壓管匯彎頭處的疲勞壽命分析做好了鋪墊。

在ANSYS Fatigue模塊中，載荷類型設置時調用前邊單次模擬工況下的瞬態載荷譜，采用GoodMan等效應力疲勞理論將壓裂工況中高壓管匯沖擊載荷轉化為實驗載荷，完成前處理設置后經過軟件后處理計算得到高壓管匯彎管頭處的疲勞壽命應力云圖，如圖9所示。

圖9 管匯疲勞壽命云圖

從高壓管匯彎管頭的疲勞壽命云圖中可以看出，彎管頭外拱內壁區域的疲勞壽命次數最低為778次，由于現實油田壓裂作業中，高壓管匯受到的載荷遠比實驗模擬載荷復雜，而且工作環境相對比較惡劣，高壓管匯的破壞程度大于實驗分析，隨著油田對安全風險控制的力度加大，為避免高壓壓裂作業出現安全隱患，一般壓裂裝備如高壓管匯的使用次數都遠低于管匯危險點達到疲勞破壞的次數。但是高壓管匯的疲勞壽命分析對于高壓管匯的使用也起到了很大的參考依據。

4 預防沖蝕破壞的措施

經過上述分析可知，雖然油田現場壓裂作業高壓管匯在使用期內一般不會出現疲勞破壞，但是高壓管匯彎頭區沖蝕破壞的預防對防止壓裂作業現場高壓泄露安全事故的發生有著十分重要的意義，以下幾種措施可以有效的對3000型壓裂車用高壓管匯彎頭處的沖蝕破壞做到預防和提前預警[9]。

1）管彎頭材料升級：在管道改變液流方向的彎頭及變徑處，可以通過局部更換管材提高其硬度和耐磨性的方法對高壓管匯易沖蝕破壞區域加以改善。

2）結構改善設計：避免壓裂作業中壓裂液流動方向的劇烈改變，或者增加彎頭處的通徑來降低流速，可以極大地降低沖蝕率。

3）采用較高的檢測技術：對高壓管匯的壁厚進行定期檢測，根據壁厚減薄情況來分析管匯的剩余強度，對提前預警管匯失效有著重要作用。目前管匯壁厚檢測的方法很多，例如，超聲波測厚儀可以測量誤差在0.1mm范圍內的壁厚?；诖庞洃浀男滦蜋z測方法對于應力集中和疲勞損傷的檢測具有較高的精度。

5 結論

1）隨著非常規油氣田開發的規模越來越大，油田壓裂作業用高壓管匯承受的壓力也越來越大，這對高壓管匯的安全性也就提出了更高的要求；

2）采用實際參數建模，以實際壓裂作業工況條件下，對高壓管匯最易受損環節-管彎頭，做流固耦合仿真分析，得出高壓管匯管彎頭外側內表面處為最易受損的區域的結論。用仿真分析結果與現場受損管匯進行分析對比，結果表明，理論仿真分析與實際受損狀況基本相吻合；

3）針對3000型壓裂車用高壓管匯存在的沖蝕破壞現象提出預防及檢測的措施，避免了壓裂作業中的高壓壓裂液外漏的安全隱患，同時為后期的壓裂作業中使用的高壓管彎頭設計提供了一定的幫助。

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