基于Fluent的高压针形节流阀冲蚀磨损分析

1、74 年第期学术研讨基于的高压针形节流阀冲蚀磨损分析曾伟吴巍巍成都西南石油大学摘要针形节流阀是高压气井重要的井口设备之一，其抗冲蚀性能是影响其使用寿命的重要因素。本文运用冲蚀模型，对针形节流阀进行气固两相流冲刷磨蚀的数值仿真，得到节流阀阀腔受介质冲蚀严重的部位，提出了降低节流阀冲蚀磨损率的措施，分析结果为节流阀的抗冲蚀结构优化提供了一定的依据。关键词针形节流阀冲蚀磨损模型相对磨损率针形节流阀主要用于高压油气井井口采油树，其工况特征是承受高压载荷及高速气流冲刷。从现场使用情况来看，由于油气中存在的岩屑、砂粒等颗粒杂质长期冲刷阀体，经常会造成节流阀阀芯断裂，阀体刺穿，从而导致节流阀失效。因此，找出

2、节流阀阀体内受介质磨损严重的部位，通过措施来降低介质对阀体的磨损，提高节流阀的抗冲蚀性能，是提高节流阀寿命的有效途径。节流阀的冲蚀模型（）磨损方程。粒子对材料的冲蚀程度可以用冲蚀率来衡量，其定义为单位重量粒子对材料造成的重量损失即模型中，颗粒对材料的冲蚀磨损率定义为：（）式中： 为颗粒的质量；（）为颗粒的形状函数；（）为冲击角函 数； 为速度函数；为冲蚀面积。（）分别对阀芯与阀体依照表与表的函数值输入；速度函数值设为常量，直径函数设为×；湍流模型选择标准。结果分析（）颗粒相分布。计算得到的时刻节流阀阀腔内颗粒相分布如图所示。，图阀腔内部颗粒相分布图及速度矢量图其中，为材料损失的重量，

3、为粒子的重量。在离散相颗粒在节流阀阀腔内呈不对称分布，靠近入口处的阀口颗粒分布较为稀疏，而远离入口的背端的阀腔颗粒分布相对密集，由于阀腔与阀口出过度区域呈直角，大量颗粒在背端阀口处堆积。出口阀腔的上端壁面上，颗粒分布较少，大量的颗粒分布在出口阀腔的下半部分，这是由阀芯与阀口的形状决定的，颗粒沿着阀芯流出阀口后以低角直接冲击出口阀腔下端壁面。（）相对磨损率。节流阀阀体与阀芯受到颗粒冲蚀的相对磨损分别如图所示。（）（）冲击角函数。冲击角指粒子入射轨迹与靶材表面的夹角。对于不同的靶材（塑性材料与脆性材料），冲击角与冲蚀率的关系可归纳为：；塑性材料；。（）速度函数。粒子的速度是影响材料冲蚀率的重要因素

4、，当介质的流速大于冲蚀临界流速，粒子的冲击速度与材料的冲蚀率的关系可归纳为。其中：材料的冲蚀率；粒子速度；和均为常数，取决于材料的性能，对于塑性材料随着冲击角的变化的值可取之间，对于金属材料受到石英砂及粒子冲击的工况下可取。（）形状函数。在岩屑冲击节流阀阀腔的算例中默认岩屑形状为球形，这里所讨论的形状函数主要考虑粒子尺寸与冲蚀率的关系。当粒子的尺寸在之间时，磨损率与粒子尺寸成正相关；而当粒子的大小增加到临界值时，粒子的大小继续增加，磨损率却几乎保持不变，这种现象称为“尺寸效应”。值随靶材及冲蚀条件的不同而变化。节流阀的多相流模拟及磨损分析图节流阀的相对磨损率阀体部分冲蚀磨损率最大的区域出现在出

5、口阀腔的下端壁面，相对磨损率最大值为×，结合图颗粒相分布情况及流场速度矢量图，大部分颗粒从阀口出流后以°°冲击角方向冲击阀腔下端壁面，速度最大值达到，冲击角刚好处在塑性材料最大冲蚀率发生的区间，因此阀腔出口处下端区域受到颗粒的冲蚀最为严重。其次，阀芯的最大冲蚀率出现在阀芯背端，该部分受到局部的集中冲蚀，冲蚀率最大值为×，该部位刚好处在阀芯与阀口的交面上，颗粒的速度方向并不沿着阀芯锥面，而是于阀芯锥面有相对碰撞，造成了阀芯的局部冲蚀。阀腔出口部分采用锥面结构，在相同开度的情况下，计算得到的阀体及阀芯的冲刷磨损情况如图和所示。模型建立本文以×可调式

6、针形节流阀为例，入口与出口阀腔直径分别为和，入口流速为，介质成分天然气和岩屑的气固混合物。在中建模并进行网格划分后导入选用离散相模型进行模拟计算，固定壁面采用无滑移边界条件，出口处设置为出流。壁面条件中，冲击角函数采用分段线性函数进行设置。由于阀芯与阀体的材料不同，图锥面结构节流阀的相对磨损率阀腔壁面的相对磨损率最大值从原来的×降为×，下降了；而阀芯的最大（转页）学术研讨年第期79 口资料较完善的井进行地层对比，并采用将飞仙关顶部拉平的方法，编绘连井格架对比剖面一条：竹园坡高张月溪（图），通过进行横向地层对比研究得出以下几点认识。（）研究区内飞仙观组地层齐全，与上伏嘉陵江组

7、地层、下伏长兴组地层呈整合接触，顶底界面特征全区易于识别。（）从纵向分析认为颗粒岩发育具层位性，鲕滩主要发育在飞一段上部、飞二段及飞三段中下部。飞一段下部沉积时水体较深，颗粒（鲕粒）岩仅在台地边缘局部的微地貌高地有少量发育；而飞四段沉积期，区内演化为分布稳定的潮坪环境，在区内由一套紫红、灰紫色泥岩、泥质灰岩、泥质云岩与石膏互层组成，颗粒（鲕粒）岩不发育。（）横向上鲕粒灰（云）岩具有集中发育、侧向迁移的特征，颗粒岩受古地貌高地控制，多分布台地边缘，在飞二、飞三期因为海平面升降变化颗粒岩不仅垂向加积生长，而且常常发生侧向台盆进积作用，使滩体规模不断变大。结论（）以旋回地层学的理论与方法为指导，对比

8、全盆地飞仙关组旋回性沉积特征，将飞仙关组分为飞一段、飞二段、飞三段及飞四段。区内北东向飞仙关组地层厚度差异明显，但全区各段均可横向对比，颗粒（鲕粒）岩主要发育在飞一飞三段。（）台地边缘鲕粒滩是有利储集相带，鲕粒滩以断续状环带沿台地边缘迁移，随层位逐渐抬升，台缘鲕滩具有向海槽方向迁移的趋势，海槽相则逐渐缩小直至填平补齐，并在飞四时演化为均一的台地潮坪环境。（）本研究区飞仙关沉积相继承了长兴组沉积格局，表现为区内西南高、北东底的沉积古地貌，工区北东部发育台地边缘相带，向西南依次为台缘斜坡及海槽等较深水沉积区。参考文献图竹园坡高张月溪地层对比图图研究区飞仙关组地层厚度图中国地层典编委会中国地层典：三

9、叠系地质出版社，冯增昭，等中国南方早中三叠世岩相古地理北京：石油工业出版社，魏国齐，陈更生，杨威，等川北下三叠统飞仙关组“槽台”沉积体系及演化沉积学报，（）：钟怡江，陈洪德，林良彪，等川东北地区长兴期飞仙关期沉积体系分析石油物探，（）：乔占峰，李国蓉，等川东北地区飞仙关组层序地层特征及演化模式沉积学报，（）：地层展布特征研究认为飞仙关地层厚度与长兴组呈明显的互补关系，此关系在横向地层对比上可直观地观察到，结合区域沉积背景认为，长兴组为非补偿沉积。地层在开江梁平海槽内为几十到一百多米左右，斜坡带地层厚度在米左右，而台地内部地层厚度在米左右，而本研究区飞仙关沉积相继承了长兴组沉积格局，表现为区内西

10、南高、北东底的沉积古地貌，工区北东部发育台地边缘相带，向西南依次为台缘斜坡及海槽等较深水沉积区，在研究区西南部地层厚度较大，最后可达到多米厚度，平均厚度也在米以上，在研究区东北部地区地层厚度较薄，厚度范围在米左右（图）。作者简介刘南（），西南石油大学在读研究生。研究方向：沉积、储层、地质地球物理综合解释。（接页）磨损率从×降到了×，下降了倍，并且比较两种结构节流阀流场的速度矢量图可以发现，锥面结构的节流阀，介质在阀口处的速度几乎是沿着阀芯与阀壁方向，这说明颗粒对阀体材料产生的磨损更多的是接触磨损，而不是冲蚀磨损，而相对颗粒高速撞击壁面产生的冲蚀磨损，接触磨损对材料的磨损程度要小的多。结论及建议（）气、固两相流的节流阀内，远离入口处的阀腔背端的固体粒子通过率比靠近入口处的阀腔前端大，固体粒子容易在阀腔背端阀口区域沉积而对阀腔及阀芯后端部分产生比较大的磨损量。（）节流阀阀腔下端采用锥面结构可以在一定程度上减少颗粒在阀腔内堆积并且对粒子的流动能起到导向作用，避免颗粒直接冲刷阀芯及阀腔壁面造成的严重磨损。（）节流阀阀体受固体粒子冲蚀最严重的部位在阀腔出口通道的下端。这是由于粒子经过阀口后，以高速、低角度冲击壁面所造成的，应着重对该区