影响通海截止阀冲刷腐蚀的重要参数数值模拟分析

作为舰船的重要部件,通海截止阀在运行过程中发生损坏将严重影响舰船航行安全。文中通过ICEM CFD软件对影响阀门冲刷腐蚀的重要参数如流体速度、颗粒含量、颗粒直径以及阀门开度等进行了模拟分析,结果表明截止阀冲蚀速率与流动速度成指数增长,颗粒含量变化会导致阀门最大冲蚀位置出现变化,最大冲蚀速率将随着粒径增大变小,而冲蚀分布却随着粒径增大变得更加均匀,阀门半开时的冲蚀速率远大于全开时的冲蚀速率。研究结果将为新型通海阀进一步流道优化改进设计提供参考。     

冲刷时间对20Cr在不同腐蚀性液固流体中的冲蚀速率影响研究

选用油气田地面管汇常用材料20Cr,采用自制的喷射式冲刷试验台,运用失重法,分别研究了在石英砂与蒸馏水、3.5%Na Cl和常压饱和CO2溶液形成的液固两相流体中,20Cr钢冲蚀速率随时间的变化规律。实验结果表明,在三种不同介质中,冲蚀速率随时间的变化总体上均为由大变小的趋势。在冲刷初期,冲蚀速率以一个较慢的速率逐渐下降;当冲刷超过一定时间后,由于金属表面腐蚀产物膜的沉积,覆盖金属表面,冲蚀速率有了明显的降低。通过扫描电子显微镜对表面产物膜和表面腐蚀形貌进行了分析,指出产物膜是影响冲蚀速率的关键因素。     

川南页岩气开采中分离器排污系统的冲蚀分析及改进方案

在页岩气开采过程中,井里采出的页岩气会携带大量的砂粒等杂质,在经过分离器气液分离之后,底部携砂污水在高压驱动下,会使高速流动的砂粒对排污阀造成严重的冲蚀。针对该问题,以川南长宁地区生产井为例,建立相应计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)模型,基于ANSYS Fluent求解器,针对不同压力、砂质量流量和颗粒特性条件下,对排污阀的冲蚀情况进行模拟分析。模拟结果表明：分离器运行压力越大,砂量质量流量越大,冲蚀速率及年冲蚀厚度逐渐增大,并呈现线性相关关系;颗粒形状系数越小,砂粒粒径越大,冲蚀速率以及年冲蚀厚度急剧增大;运行压力为1.5～5.5 MPa时,年冲蚀厚度为8.6～76.1 mm,根据行业标准得知目前的排污系统存在快速减薄穿孔现象。为此提出了一种新型的排污系统改进方案,并对该方案进行验证模拟分析。模拟结果表明,当排污管内流速为12 m/s时,排污阀最大冲蚀速率为4.53×10^-5 kg/(s·m²),折算成年冲蚀厚度为0.9 mm,相较于未改进的排污系统,缓蚀率可达99.7%以上。     

渐缩型气动喷砂喷嘴冲蚀模拟分析

为研究气动喷砂枪喷嘴喷射颗粒对自身造成的冲蚀磨损情况,通过选取渐缩型气动喷砂喷嘴为研究对象,运用CFD软件对其内部流场及颗粒运动特性进行模拟分析;通过改变收缩角度、颗粒粒径及颗粒质量流率进一步分析影响喷嘴冲蚀速率变化的规律。结果表明:喷嘴的冲蚀区域主要集中在收缩段及收缩段与出口段交界面处;以收缩角度为30°、45°、60°的喷嘴为例,随收缩角度的增加,冲蚀区域出现"逆向发展";随颗粒粒径的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈现先下降后上升的"U"形变化趋势,且其最低点所对应的粒径与收缩角度成反比;随颗粒质量流率的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈上升趋势,但并未呈现线性关系。     

基于DDPM模型的高压管汇冲蚀磨损数值模拟

为探究考虑颗粒间相互作用的高压管汇冲蚀磨损机理,通过计算流体力学方法研究了高压管汇固液两相流的速度、压力、湍动能和湍流耗散率,通过正交试验设计25组仿真,对比分析DDPM模型和DPM模型的数值模拟结果,得到工况参数、空间夹角、颗粒特性对高压管汇冲蚀速率的影响规律。结果表明：在用CFD方法对高压管汇进行冲蚀磨损数值模拟时,DDPM模型对高压管汇岐型三通冲蚀磨损的预测精度好于DPM模型;空间夹角在60°～90°时,最大冲蚀集中在三通相贯线和相贯线两侧面;空间夹角在30°～45°时,最大冲蚀集中在三通相贯线处;随着颗粒形状系数减小,流速4 m/s到12 m/s,冲蚀速率逐渐增大,最大冲蚀速率变大1.4倍,并在流速最大时达到峰值;结论可为高压管汇结构优化和剩余服役寿命预测提供理论支撑。     

携砂液流对除砂器针型阀冲蚀作用模拟研究

基于液固两相流和冲蚀理论,对除砂器中携砂液流通过针型阀时对阀内的冲蚀进行数值模拟,直观地得到其压力分布和内部流动特性,并通过计算得到易冲蚀点位置和最大冲蚀速率。结果表明,针型阀的阀芯和内表面冲蚀比较严重,内表面顶部是冲蚀最严重区域,冲蚀速率是阀芯顶端面的3倍多。研究结果为针型阀局部加强处理提供了一定依据。     

高压气井节流油嘴硬质合金和陶瓷的冲蚀对比实验

在高压气井试气和生产过程中,返排液或者生产流体会携带少量地层出砂,对节流油嘴产生非常严重的冲蚀。井下和地面节流油嘴通常选用耐冲蚀的陶瓷和硬质合金。通过自制的喷射式冲蚀装置,以压裂返排的0.3%的羟丙基瓜尔胶携砂液为介质,研究了冲击角度和流体流速对硬质合金和陶瓷两种材料冲蚀速率的影响规律。采用扫描电镜分析了冲击角度和流体流速对两种材料的微观形貌的影响。实验结果表明,硬质合金的抗冲蚀性能低于陶瓷,两者的冲蚀速率均随着冲击角度的增大而逐渐增大。在冲击角度为30°时,两者的冲蚀速率较为接近;在冲击角度为90°时,两者的冲蚀速率均达到最大值,并且,硬质合金的冲蚀速率约为陶瓷的2倍;两种材料的冲蚀速率随流速的增大而增加。当流速大于16 m/s时,冲蚀速率随流速增大而呈幂函数形式增长。扫描电镜结果表明,硬质合金和陶瓷均表现为明显的脆性冲蚀特征。与陶瓷相比,硬质合金的硬度较低而韧性较高,抗脆性断裂的能力较强,而抗微切削的能力较弱。硬质合金在低角冲蚀下以微切削为主要冲蚀机制,在高角冲蚀下以脆性断裂为主要冲蚀机制;陶瓷主要以脆性断裂为主要冲蚀机制。实验结果对高压气井节流油嘴选材以及寿命预测具有一定指导。     

低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟

液固多相流冲蚀磨损会严重影响管道的使用寿命。以某输油管线设计为研究对象,运用Fluent软件中的Mixture-DPM双向耦合模型研究低浓度颗粒的油水多相流管道流场变化,分析集输管线整体冲蚀速率分布,得到了不同管件冲蚀磨损较严重的区域。为了进一步研究冲蚀磨损的影响因素,选取3种不同的入口流速及原油含水率进行综合对比分析,结果表明：不同管件的冲蚀磨损区域各不相同;90°弯管磨损区域主要集中在外拱壁面,三通管磨损区域主要位于下支管右壁面,渐缩管磨损区域主要位于喉部区域及出口处,盲三通在盲端1/3处形成小型旋涡,且磨损区域主要位于盲端与下支管相贯线区域以及下支管右壁面处;冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型增长,指数系数为1.89;随原油含水率增加,冲蚀速率呈倒"U"形变化,当含水率为20%时,冲蚀速率达到最大值。     

电动潜油离心泵叶轮冲蚀磨损研究

针对油田特高含水阶段电动潜油离心泵叶轮冲蚀磨损问题,采用RNG k-ε湍流模型和离散相模型并利用SIMPLEC算法进行求解,实现对电潜泵冲蚀磨损的数值模拟,并研究工况参数和叶片结构参数对电潜泵叶轮冲蚀磨损的影响。结果表明:叶轮叶片吸力面是叶轮冲蚀磨损严重区域;随着砂粒浓度的升高及叶轮转速的提高,叶轮磨损速率增大;随着粒径及出口安放角的增加,叶轮磨损速率先升高后降低;叶轮平均磨损率随着进口安放角的增加而降低。     

静叶斜置对高参数汽轮机再热后第一级叶栅冲蚀的影响

在高温、高速加速冲蚀试验结果所建立的叶栅材料冲蚀率模型和粒子反弹模型的基础上,利用三维数值计算法模拟、分析了静叶斜置对超临界及超超临界汽轮机再热后第一级叶栅冲蚀特性的影响.结果表明:再热后第一级静叶斜置角度为30°时,静叶压力面最大冲蚀失重减小了约30％,吸力面尾缘的冲蚀破坏明显减轻,级效率仅下降0.1％;进一步增大斜置角度,再热后第一级叶栅抗磨性能提升并不明显,级效率下降了1％;减小斜置角度会使静叶压力面最大冲蚀失重增加23％,叶栅抗磨性能显著降低.该研究结果可为减轻再热后第一级叶栅的冲蚀破坏提供技术依据.     

冲蚀角度和弯头几何尺寸对冲蚀磨损的影响研究

为了更深入研究输气管道中重点管件——弯头的气固两相流问题,弄清固体颗粒运动轨迹与冲蚀磨损之间的关系,根据相似性原理搭建了模拟试验平台。采用k-ε双方程模型建立相应的气固两相流仿真模型,并将仿真结果同试验结果进行对比,验证了仿真模拟的正确性。在此基础之上,详细进行了固体颗粒的入射角度和弯头的几何尺寸对冲蚀磨损的影响研究。结果表明,冲蚀的入射角度对弯头的冲蚀磨损情况有很大影响。当入射角偏向弯头内管壁时,最大冲蚀率随着入射角的增大而增大。当入射角偏向外侧管壁时,入射角为15°时弯头的最大冲蚀率最大。另外,通过改变弯头的曲率半径和外形,都可以减小弯头的最大冲蚀磨损速率。     

热采筛管冲蚀与腐蚀迭加作用机理

利用高温高压反应釜进行冲蚀、腐蚀和冲蚀腐蚀迭加3种条件下的多元热流体稠油热采防砂筛管损坏模拟实验,采用失重法获得3种条件下筛管挡砂介质的腐蚀速率,434金属棉在迭加条件下的腐蚀速率较纯冲蚀条件下提高了75倍,较纯腐蚀条件下也提高了53%。采用宏观观察、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法对腐蚀试样进行宏微观分析,发现迭加条件下材质腐蚀程度均比单一条件下显著。结果表明,在迭加作用下筛管材质的腐蚀速率显著高于单纯冲蚀和单纯腐蚀条件。腐蚀作用对机体的损伤以及冲蚀作用对腐蚀保护膜的破坏两方面相互促进,导致筛管材质损伤程度的增加。     

热采筛管冲蚀与腐蚀迭加作用机理

 利用高温高压反应釜进行冲蚀、腐蚀和冲蚀腐蚀迭加3 种条件下的多元热流体稠油热采防砂筛管损坏模拟实验,采用失重法获得3 种条件下筛管挡砂介质的腐蚀速率,434 金属棉在迭加条件下的腐蚀速率较纯冲蚀条件下提高了75 倍,较纯腐蚀条件下也提高了53%。采用宏观观察、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等方法对腐蚀试样进行宏微观分析,发现迭加条件下材质腐蚀程度均比单一条件下显著。结果表明,在迭加作用下筛管材质的腐蚀速率显著高于单纯冲蚀和单纯腐蚀条件。腐蚀作用对机体的损伤以及冲蚀作用对腐蚀保护膜的破坏两方面相互促进,导致筛管材质损伤程度的增加。     

气固混合流对集输管道弯管的冲蚀模拟

针对含砂天然气对长输管道弯头处的冲蚀现象,以90°弯管为例,运用单向耦合冲蚀模型及控制变量法分析颗粒质量流率、流体进口流速、颗粒粒径及重力场对弯管的冲蚀作用,结果表明：在非重力场中,弯管的冲蚀区域主要集中在拐角大弧面区,且呈椭圆形分布;随颗粒质量流率的增加,最大冲蚀速率拟合曲线呈线性正相关;随流体进口流速的增加,最大冲蚀速率拟合曲线呈非线性指数相关,指数系数为0.305 8;随颗粒粒径的增加,最大冲蚀速率呈先减小后增大再减小的变化趋势;相同条件下,在重力场中弯管的冲蚀集中区域与非重力场相同,但最大冲蚀速率明显增大,且冲蚀区域发生变化;当重力为沿出口法向正向时,冲蚀区域由椭圆形变为圆形,并伴有二次冲蚀集中现象,当重力为沿出口法向反向时,冲蚀区域由椭圆形变为三角锥形。     

铅铋合金中颗粒物对弯管的冲蚀研究

基于流体力学理论研究液态铅铋合金(LBE)中颗粒物对管道壁面的冲蚀作用,采用Fluent中的离散相模型(DPM)对管壁的冲蚀进行数值模拟研究.结果表明,弯管角度和颗粒粒径等对管壁的冲蚀磨损影响较为显著,而温度对冲蚀的影响相对较弱.流动铅铋合金对弯管的冲蚀较为严重,直管段冲蚀较弱.当铅铋合金中夹杂的颗粒物粒径较小(100μm)时,对弯管的冲蚀较弱,大粒径颗粒(100μm)的冲蚀速率则迅速增加.     

冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率影响实验研究

利用自制的喷射式冲蚀实验装置,在胍胶压裂液与40/70目石英砂混合形成的液固两相流体中,研究了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率的影响。采用扫描电镜分析了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管的冲蚀形貌的影响。实验结果表明,超级13Cr油管冲蚀速率随喷射速度的增大呈幂率关系增长。冲击角度为30°时超级13Cr油管的冲蚀速率最大,但幂指数较小;冲击角度为45°时,冲蚀速率居中,但幂指数最大;而冲击角度为90°时,冲蚀速率最低,幂指数最小。扫描电镜分析结果表明,在较小的冲击角度和较高的喷射速度下,石英砂颗粒对超级13Cr油管表面产生了较深的切削犁沟。而在较大的冲击角度和较高的喷射速度下,超级13Cr油管表面产生微裂纹,主要损伤机理为冲击锻打造成的材料挤压成片脱落。     

超级13Cr钢在液固两相流体中的冲蚀实验研究

在大排量高砂比压裂过程中,携砂压裂液对管柱和井下工具的冲蚀是引起设备损伤的主要原因。利用自行研制的喷射式冲蚀实验装置,研究了冲蚀时间、喷射流速和含砂量对超级13Cr钢冲蚀速率的影响。研究结果表明,冲蚀时间在90~120 min之间时,超级13Cr钢冲蚀速率趋于稳定;在喷射流速超过5.6m/s时,因为冲刷腐蚀的协同作用导致冲蚀速率急剧上升;冲蚀速率在含砂量为25 kg/m3时冲蚀速率达到最大值,此后随着含砂量增加,由于颗粒之间碰撞效应导致颗粒撞击到材料表面的动能降低,冲蚀速率开始减小,在50 kg/m3时达到最小值,随后又随着含砂量的增加而缓慢增加。研究结果为油田压裂施工工艺参数优化以及管柱安全评价提供了一定参考。     

稠油输送管道90°弯管的冲蚀模拟分析

为了研究重质稠油内砂粒对弯管的冲蚀作用,以90°弯管为研究对象,运用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）软件建立液固耦合的离散相冲蚀模型（discrete phase model,DPM）,利用SIMPLEC算法计算得到不同温度、砂粒粒径及质量流率下重质稠油输送管道弯管处冲蚀速率的变化规律。结果表明,同一流动状态下,随着温度升高,重质稠油的黏度及90°弯管的冲蚀速率皆呈指数递减趋势,最大冲蚀点出现在弯管90°方向线与侧壁面中线交点处;湍流流态下,90°弯管的冲蚀速率随砂粒粒径的增大而减小,稠油的黏性力对大粒径砂粒的束缚作用明显,冲蚀速率较低;湍流流态下,冲蚀速率随砂粒质量流率增加而增大,近壁面处砂粒与稠油间形成的黏性微团层对质量流率增加所引起的冲蚀具有一定缓解作用。     

基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀

水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势,应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂,管道内流场变化规律不清,出砂现象严重,在发球过程中会出现高流速,易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统,应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)的方法进行流场计算及冲蚀分析。结果表明,管内流速分布不均,弯管与T形管区域存在偏流;气液两相分布较为均一,但在竖直管段存在积液。对比冲蚀模型的计算结果,发现Generic与DNV模型计算结果相对准确;颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含液区域或气液界面处,且竖直管段的冲蚀速率比水平管段更大;当颗粒含量为10×10^-6 kg/m³时,颗粒直径为100μm时,最大冲蚀速率为0.21 mm/a;最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大;且随着砂粒直径的增大,冲蚀区域愈趋向集中。管内流速高,长时间运行时冲蚀现象严重,需加强关键冲蚀区域的防护措施,提高腐蚀裕量,以保障管汇系统的安全运行。     

残余压应力场中疲劳短裂纹扩展速率的预测

通过对Newman中心孔裂纹闭合模型加以改进,引入经有限元分析计算得到的残余应力再分布曲线,建立了用于单边圆缺口短裂纹闭合力及扩展速率预测的改进模型。为了验证模型的合理性,对40Cr调质态板状试样的缺口部位进行喷丸,测定裂纹扩展时的残余应力再分布,实测短裂纹的闭合力及扩展速率。结果表明,模型计算与实验测定符合较好。残余压应力提高了裂纹闭合力,减小了最大应力强度因子,从而降低了有效应力强度因子幅值,使裂纹扩展速率下降。