流速对弯头冲蚀率影响研究

李伟

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2008年到2015年发生的一系列油田安全作业事故中，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ANSYS FLUENT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  ANSYS FLUENT  流体动力学仿真

中图分类号：TE83                                  文献标识码：A                          文章编号：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14～140MPa。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亡。

1  不可压缩流体分析理论基础

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。此表明，冲击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：ε=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则仅发生弹性变形，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。

2.1 CFD-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-ε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2.5～7.0/min，转换成流速约为10 ～30m/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。

对比图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，弯头拱背部分的速度较低，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ε=k·vn计算可得，ε′=k·（v'）n=k·（2v）n=k·vn·2n=ε·2n。即冲蚀磨损量ε成指数形式增长，表明管内流速越高，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

对比上述分析结果，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ANSYS FLUENT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

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