流速對彎頭沖蝕率影響研究

李偉

摘? 要：作為非常規油氣開采的重要零部件，高壓管匯的壽命短問題嚴重地束縛了人類對能源的開發利用。據業內數據顯示，自2008年到2015年發生的一系列油田安全作業事故中，有近65﹪的比例皆因高壓管匯失效所致。對此，有必要對高壓管匯使用壽命，失效問題做一深入研究，提高高壓管匯的使用壽命對能源的開發、儲層改造、增產穩產都具有重大意義。憑借ANSYS FLUENT強大的多物理場耦合模塊，筆者將從流體沖蝕磨損方面對高壓活動彎頭進行流體動力學仿真，為相關學者提供一定的理論背景。

關鍵詞：高壓管匯? ANSYS FLUENT? 流體動力學仿真

中圖分類號：TE83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0059-02

Abstract： As an important part of unconventional oil and gas exploitation， the short life of high-pressure manifold seriously hampers the development and utilization of human energy. According to industry sources， from 2008 to 2015， a series of oil field safety accidents occurred， nearly 65% of them were caused by the failure of high-pressure manifold. Therefore， it is necessary to make a deep study on the service life and failure of high-pressure manifold. To improve the service life of high-pressure manifold is of great significance to energy development， reservoir transformation， increase and stable production. With the powerful multi-physical field coupling module of ANSYS FLUENT， the hydrodynamic simulation of high-pressure movable elbow will be carried out from the aspect of fluid erosion wear， which will provide a theoretical background for relevant scholars.

Key Words： High pressure manifold; ANSYS FLUENT; Fluid Dynamics Simulation

高壓流體控制元件簡稱高壓管匯，廣泛應用于固井、壓裂和酸化測試及井口設備中，其工作壓力一般為14～140MPa。在工作期間，其內部需承受較高的沖擊壓力和交變載荷，壁厚減損，尤其是彎頭處，磨損更為嚴重，并且其輸送的流體大多都具有腐蝕性，因此管匯件極易產生疲勞裂紋和沖蝕等缺陷，并引發高壓管匯件刺穿或破裂，導致重大工業事故的發生，造成巨大經濟損失和人員傷亡。

1? 不可壓縮流體分析理論基礎

1.1 質量守恒方程

1.2 動量守恒方程

1.3 能量守恒方程

2? 高壓活動彎頭的沖蝕分析

在油田壓裂作業中，當攜砂液通過彎曲部位時，彎頭部位受較大沖擊力，極易造成嚴重的沖蝕損傷。本文選取某一款型號為：3”-50型/140MPa;內徑：76.20mm;外徑：140.00mm;曲率半徑：258.00mm的活動彎頭為研究對象，并做相關處理。

Bitter變形磨損理論認為，磨損過程可分為變形階段與切削階段。在前期階段，沖蝕顆粒對材料內壁不斷地沖刷，造成內壁出現彈性或塑性變形;進入惰性區后，已形成的沖蝕缺陷將直接被沖蝕粒子切削掉，并一同被沖走，形成損耗。此表明，沖擊速度對靶材的沖蝕磨損量有顯著的影響，其近似關系式可用經驗公式表達：ε=k·vn。式中：k為比例系數;v為顆粒的沖擊速度;n為速度指數，與靶材類型有關，通常n=2-3。Bitter推測，存在一個閾值速度（或門檻速度），當固體顆粒的沖擊速率小于該值則僅發生彈性變形，不會出現磨損現象。Tilly還指出閾值速度與顆粒的大小也有關。

2.1 CFD-FLUENT流體動力學仿真

基于上述理論，將管內流體視為湍流模型，該文選取k-ε標準模型，并在FLUENT環境下對管道系統進行沖蝕分析。鑒于湍流運動的精確模擬十分復雜，對此，該文僅能借助于經驗公式來近似表述：，其用來設定入口流速。，管內攜砂液體積流量為2.5～7.0/min，轉換成流速約為10 ～30m/s。保證其它參數均不變，僅改變進水口流速，并依次設定v=10m/s，20m/s，30m/s，經前處理，進入FLUENT仿真環境后，所得三組流速矢量云圖見圖1-圖4所示。

對比圖1-圖3三圖可見，彎頭處液體流向突變，內彎處流速較高，流出彎頭的過程中，彎頭拱背部分的速度較低，說明彎頭處兩相湍流程度明顯增強。速度差形成壓力差，易形成二次湍流。并且流體流速的不穩定性也會形成旋渦，這將為顆粒提供更大的徑向動能，加劇內弧外壁的沖蝕損傷。不妨選取各流速矢量云圖下的極大值，依次為1.63e+01，3.16e+01，4.85e+01，近似成2倍關系。令v′=2v，根據經驗公式ε=k·vn計算可得，ε′=k·（v'）n=k·（2v）n=k·vn·2n=ε·2n。即沖蝕磨損量ε成指數形式增長，表明管內流速越高，彎頭迂回處形成疲勞裂紋較其它部位愈加嚴重，根據動量定理Ft=mv-mv0，v增大，管壁應力集中嚴重，循環交替，逐步形成疲勞裂紋，最終爆裂，這與圖4實際工況相吻合。

3? 結語

對比上述分析結果，可得到以下初步結論。

（1）根據2.1節三組流速矢量云圖可推斷出，流速對彎頭迂回處沖蝕磨損效果最為顯著，上述經驗公式亦可驗證該結論的正確性;

（2）該文借助ANSYS FLUENT強大的流體仿真模塊，針對活動彎頭沖蝕磨損這一實際工況，從進口流速這一角度進行了詳細探討，此將為工程技術人員在設計優化活動彎頭結構布局方面提供參考，具有較高的實用價值。

參考文獻

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