流速对弯头冲蚀率影响研究

1、流速对弯头冲蚀率影响研究摘 要：作为非常规油气开采的重要零部件，高压管汇的寿命短问题严重地束缚了人类对能源的开发利用。据业内数据显示，自2021年到2021年发生的一系列油田平安作业事故中，有近65的比例皆因高压管汇失效所致。对此，有必要对高压管汇使用寿命，失效问题做一深入研究，提高高压管汇的使用寿命对能源的开发、储层改造、增产稳产都具有重大意义。凭借ANSYSFLUENT强大的多物理场耦合模块，笔者将从流体冲蚀磨损方面对高压活动弯头进行流体动力学仿真，为相关学者提供一定的理论背景。关键词：高压管汇 ANSYSFLUENT 流体动力学仿真中图分类号：TE83

2、60;                文献标识码：A             文章编号：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高壓流体控制元件简称高压管汇，广泛应用于固井、压裂和酸化测试及井口设备中，其工作压力一般为14140MPa。在工作期间，其内部需承受较高的冲击压力和交变载荷，壁厚减损，尤其是弯头处，磨损更为严重，并且其输送的流体大多都具有腐蚀性，因此管汇件极易产生疲劳裂纹和冲蚀等缺陷，并引发高压管汇件刺穿或破裂，导致重大工业事故的发生，造成巨大经济损失和人员伤

6、亡。1 不可压缩流体分析理论根底1.1质量守恒方程1.2动量守恒方程1.3能量守恒方程2 高压活动弯头的冲蚀分析在油田压裂作业中，当携砂液通过弯曲部位时，弯头部位受较大冲击力，极易造成严重的冲蚀损伤。本文选取某一款型号为：3-50型/140MPa;内径：76.20mm;外径：140.00mm;曲率半径：258.00mm的活动弯头为研究对象，并做相关处理。Bitter变形磨损理论认为，磨损过程可分为变形阶段与切削阶段。在前期阶段，冲蚀颗粒对材料内壁不断地冲刷，造成内壁出现弹性或塑性变形;进入惰性区后，已形成的冲蚀缺陷将直接被冲蚀粒子切削掉，并一同被冲走，形成损耗。此说明，冲击

7、速度对靶材的冲蚀磨损量有显著的影响，其近似关系式可用经验公式表达：=k·vn。式中：k为比例系数;v为颗粒的冲击速度;n为速度指数，与靶材类型有关，通常n=2-3。Bitter推测，存在一个阈值速度或门槛速度，当固体颗粒的冲击速率小于该值那么仅发生弹性变形，不会出现磨损现象。Tilly还指出阈值速度与颗粒的大小也有关。2.1CFD-FLUENT流体动力学仿真基于上述理论，将管内流体视为湍流模型，该文选取k-标准模型，并在FLUENT环境下对管道系统进行冲蚀分析。鉴于湍流运动的精确模拟十分复杂，对此，该文仅能借助于经验公式来近似表述：，其用来设定入口流速。，管内携砂液体积流量为2.57

8、.0/min，转换成流速约为1030m/s。保证其它参数均不变，仅改变进水口流速，并依次设定v=10m/s，20m/s，30m/s，经前处理，进入FLUENT仿真环境后，所得三组流速矢量云图见图1-图4所示。比照图1-图3三图可见，弯头处液体流向突变，内弯处流速较高，流出弯头的过程中，弯头拱背局部的速度较低，说明弯头处两相湍流程度明显增强。速度差形成压力差，易形成二次湍流。并且流体流速的不稳定性也会形成旋涡，这将为颗粒提供更大的径向动能，加剧内弧外壁的冲蚀损伤。不妨选取各流速矢量云图下的极大值，依次为1.63e+01，3.16e+01，4.85e+01，近似成2倍关系。令v=2v，根据经验公式

9、=k·vn计算可得，=k·v'n=k·2vn=k·vn·2n=·2n。即冲蚀磨损量成指数形式增长，说明管内流速越高，弯头迂回处形成疲劳裂纹较其它部位愈加严重，根据动量定理Ft=mv-mv0，v增大，管壁应力集中严重，循环交替，逐步形成疲劳裂纹，最终爆裂，这与图4实际工况相吻合。3 结语比照上述分析结果，可得到以下初步结论。1根据2.1节三组流速矢量云图可推断出，流速对弯头迂回处冲蚀磨损效果最为显著，上述经验公式亦可验证该结论的正确性;2该文借助ANSYSFLUENT强大的流体仿真模块，针对活动弯头冲蚀磨损这一实际工况，从进口流速这一角度进行了详细探讨，此将为工程技术人员在设计优化活动弯头结构布局方面提供参考，具有较高的实用价值。参考文献【1】金雪梅，张祥来，廖浩，等.加砂压裂过程中高压管汇失效爆裂分析J.平安，2021，381：17-18.【2】BitterJG.AstudyoferosionphenomenaJ.Wear