流速對彎頭沖蝕率影響研究

1、流速對彎頭沖蝕率影響研究摘 要：作為非常規(guī)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(fā)利用。據業(yè)內數(shù)據顯示，自2021年到2021年發(fā)生的一系列油田平安作業(yè)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(fā)、儲層改造、增產穩(wěn)產都具有重大意義。憑借ANSYSFLUENT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 ANSYSFLUENT 流體動力學仿真中圖分類號：TE83

2、60;                文獻標識碼：A             文章編號：1672-3791202104c-0059-02Abstract：Asanimportantpartofunconventionaloilandgasexploitation，theshortlifeofhigh-pres

3、suremanifoldseriouslyhampersthedevelopmentandutilizationofhumanenergy.Accordingtoindustrysources，from2004to2021，aseriesofoilfieldsafetyaccidentsoccurred，nearly65%ofthemwerecausedbythefailureofhigh-pressuremanifold.Therefore，itisnecessarytomakeadeepstudyontheservicelifeandfailureofhigh-pressuremanifo

4、ld.Toimprovetheservicelifeofhigh-pressuremanifoldisofgreatsignificancetoenergydevelopment，reservoirtransformation，increaseandstableproduction.Withthepowerfulmulti-physicalfieldcouplingmoduleofANSYSFLUENT，thehydrodynamicsimulationofhigh-pressuremovableelbowwillbecarriedoutfromtheaspectoffluiderosionw

5、ear，whichwillprovideatheoreticalbackgroundforrelevantscholars.KeyWords：Highpressuremanifold;ANSYSFLUENT;FluidDynamicsSimulation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14140MPa。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(fā)高壓管匯件刺穿或破裂，導致重大工業(yè)事故的發(fā)生，造成巨大經濟損失和人員傷

6、亡。1 不可壓縮流體分析理論根底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(yè)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(xiàn)彈性或塑性變形;進入惰性區(qū)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。此說明，沖擊

7、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：=k·vn。式中：k為比例系數(shù);v為顆粒的沖擊速度;n為速度指數(shù)，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那么僅發(fā)生彈性變形，不會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。Tilly還指出閾值速度與顆粒的大小也有關。2.1CFD-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-標準模型，并在FLUENT環(huán)境下對管道系統(tǒng)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2.57

8、.0/min，轉換成流速約為1030m/s。保證其它參數(shù)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(huán)境后，所得三組流速矢量云圖見圖1-圖4所示。比照圖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，彎頭拱背局部的速度較低，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(wěn)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

9、=k·vn計算可得，=k·v'n=k·2vn=k·vn·2n=·2n。即沖蝕磨損量成指數(shù)形式增長，說明管內流速越高，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(huán)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 結語比照上述分析結果，可得到以下初步結論。1根據2.1節(jié)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ANSYSFLUENT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(yōu)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【1】金雪梅，張祥來，廖浩，等.加砂壓裂過程中高壓管匯失效爆裂分析J.平安，2021，381：17-18.【2】BitterJG.AstudyoferosionphenomenaJ.Wear