天然气携砂在90°弯管中的冲蚀磨损数值分析

针对天然气携砂弯管冲蚀问题,利用Fluent流体仿真软件进行气-固双相耦合,选用标准k-epsilon湍流模型、E/CRC冲蚀模型对固体颗粒的流场分布、冲蚀速率及冲蚀位置进行模拟,并针对4种不同重力场的流动特性进行分析。结果表明:颗粒质量流量较小时,冲蚀速率随流速呈线性变化,颗粒质量流量较大时,冲蚀速率随流速呈指数变化;冲蚀速率随颗粒直径的增大,呈现先增大后保持平稳趋势;最大冲蚀位置随流速的增加向后移动,随颗粒直径的增大略微向前移动;与重力方向相同的入口或出口位置,冲蚀较严重,和重力方向相同且二次流经过的位置,冲蚀现象最为严重。以上研究结果可为预防管道冲蚀提供理论依据和实际参考。     

液固两相流盲三通冲蚀特性数值分析

盲三通内特殊的"气垫"结构可以在节省空间的同时提升管道的抗冲蚀性能。为了分析液固两相流环境下弯管和盲三通内的流场分布,并对比其抗冲蚀性能,分析冲蚀机理,运用CFD-DPM方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算。通过对几何模型进行网格无关性验证来确定最佳的网格数量,选用Realizable k-ε湍流模型、McLaury冲蚀预测模型和Forder壁面反弹恢复模型来计算冲蚀速率。分析结果显示:盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管;弯管的主要冲蚀部位位于中心区域的外侧壁面,盲三通的冲蚀区域主要位于相贯线附近和出料管底部;在盲三通内存在缓冲涡,可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击,从而减轻对管道的冲蚀;随着流体流速的增加,冲蚀逐渐加重,且流速较高时,冲蚀速率增加幅度越大;随着颗粒质量流量的增加,冲蚀速率呈线性增加,增长斜率随长径比的增大而减小。所得结果对于管道的设计选用及长周期安全运营有一定的参考价值。     

基于气-固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、 预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian 方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian 坐标系下求解气体连续相 流场,在Lagrangian 坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center（E/CRC）冲蚀模型以及Grant 和 Tabakoff 颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在 不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明： ①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导 致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位 置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。     

90°弯管气固两相流磨损研究

天然气在管道输送过程中,夹带的微小固体颗粒会对管道产生冲蚀磨损,进而引发管道失效。利用计算流体力学(CFD)软件能够模拟管内气固两相流流动预测壁面磨损量,但过往的(模拟)研究未能区分出磨损的不同阶段,仅采用单一的冲蚀磨损量预测模型。为此利用气固两相流流场结果,通过分界角β将磨损过程分为两个阶段:颗粒对壁面的冲击与颗粒对壁面的滑动或滚动。并将上述两个阶段采用不同的磨损量预测模型(Tulsa模型与疲劳磨损模型)作为用户自定义函数(UDF)加入计算软件中。计算结果表明:磨损量随着颗粒直径、颗粒密度、气体流速、弯径比的增加而增加。磨损量随不同影响因素的变化趋势,与分界角的变化趋势相似,证明了分界角是一个能综合评价弯管冲蚀磨损特征的参数。利用拉格朗日法分析了颗粒的碰撞特征,结果表明:二次碰撞位置更加靠近弯管出口,极易位于弯管焊缝的热影响区内,磨损情况将会加剧,甚至加速焊缝热影响区内的微裂纹扩展。     

９０°弯管气固两相流磨损研究

天然气在管道输送过程中,夹带的微小固体颗粒会对管道产生冲蚀磨损,进而引发管道失效。利用
计算流体力学（ＣＦＤ）软件能够模拟管内气固两相流流动预测壁面磨损量,但过往的（模拟）研究未能区分出磨损的
不同阶段,仅采用单一的冲蚀磨损量预测模型。为此利用气固两相流流场结果,通过分界角β将磨损过程分为两
个阶段：颗粒对壁面的冲击与颗粒对壁面的滑动或滚动。并将上述两个阶段采用不同的磨损量预测模型（Ｔｕｌｓａ模
型与疲劳磨损模型）作为用户自定义函数（ＵＤＦ）加入计算软件中。计算结果表明：磨损量随着颗粒直径、颗粒密
度、气体流速、弯径比的增加而增加。磨损量随不同影响因素的变化趋势,与分界角的变化趋势相似,证明了分界
角是一个能综合评价弯管冲蚀磨损特征的参数。利用拉格朗日法分析了颗粒的碰撞特征,结果表明：二次碰撞位
置更加靠近弯管出口,极易位于弯管焊缝的热影响区内,磨损情况将会加剧,甚至加速焊缝热影响区内的微裂纹
扩展。     

天然气携砂气固两相流在弯管处冲蚀磨损分析

为了研究固体颗粒参数及弯管结构参数变化条件下弯管的冲蚀规律及最大冲蚀位置,基于CFD软件Fluent对弯管进行了网格无关性分析和入口段长度分析来确定最佳分析模型,选用Oka冲蚀模型和Forder壁面恢复模型计算弯管冲蚀,研究了颗粒直径和管径比对弯管最大冲蚀位置的影响。分析结果表明:颗粒速度对冲蚀速率的影响较大,二者呈指数关系,冲蚀速率随质量流量的增加比较均匀,当颗粒直径达到一定大小后,冲蚀速率增加较慢;管道直径和管径增大均会减小弯管的冲蚀速率,管径比对冲蚀速率的影响较大,二者呈现指数关系;颗粒直径基本不影响最大冲蚀位置,而最大冲蚀角度随着管径比的增大而减小。所得结果对管道设计及工程实际安全运营具有一定的指导作用。     

高压管汇冲蚀磨损规律研究

针对高压管汇在压裂作业时内壁受冲蚀作用导致磨损破裂失效的问题,基于固液两相流和冲蚀磨损理论,利用FLUENT软件研究了高压管汇内壁的冲蚀磨损率和冲蚀离散量分布规律,分析了高压管汇的弯管段曲率半径、弯曲度和管汇内壁直径对管汇冲蚀磨损规律。研究结果表明:高压管汇的弯管出口处发生冲蚀磨损最严重,离散量集中分布在弯管处至直管出口处,而在直管段冲蚀磨损率很小;随着管汇的内壁直径、弯管曲率半径和弯管段弯曲度的增大,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率减小;随着进口流速的增加,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率增大。研究结果可为高压管汇的失效、预防以及安全防护提供参考依据。     

天然气水合物试采多相输送的弯管段防护研究

天然气水合物浆液中混杂的泥砂颗粒在低流速管段容易产生堆积阻塞,在高流速管段经常发生冲蚀磨损,目前国内外针对以液体为连续相流动的气液固多相流冲蚀研究较少。为此,以欧拉(Euler)气泡流模型与离散相模型(DPM)耦合的多相流数学模型为理论基础,对多相流中气液相间分布及管壁冲蚀磨损进行了数值模拟,开展了冲蚀磨损试验并提出耐磨防护方案。研究结果表明：可以从减弱弯管段湍流剪切作用、颗粒对弯管内壁的直接碰撞及减少动能传递进行防护设计;15°楔形垫层对应的最大冲蚀速率减幅74.55%,在1.0～2.2 m/s的流速范围内防护效果更明显;陶瓷涂垫层防护对冲蚀-腐蚀交互作用有明显的抑制效果。研究结论可为管道输送工程防护措施的制定提供技术参考。     

气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟

为了定量描述输油管道弯管处由于流体方向改变引起的流体速度改变和压力波动的动态行为,以及管道内部的冲蚀磨损规律,利用Fluent软件建立了90°弯管冲蚀模型。针对不同的入口流速工况,对弯头内部压力和速度场进行了数值模拟,分析了流体在弯管段的流动和冲蚀规律。分析结果表明,流体在经过弯管段时,对管壁外侧压力先增大后减小,并在该侧取得最大值;弯管处流体流速和管壁压力变化剧烈,该区域管壁冲刷腐蚀最为严重;弯头使流体流场更加复杂,增大了气泡溃灭的概率和弯管腐蚀速率;随着流体速度增大,管壁压力会增大,管壁冲刷腐蚀速率也随着流速增大而增大,实际应用中应选择合理的流速。     

测试地面流程弯管冲蚀磨损的影响研究

为研究海上地面流程作业过程中,油嘴调整及弯管结构参数对地面流程弯管冲蚀磨损的影响规律,基于液-固两相流理论、冲蚀磨损模型,结合流场、颗粒运动轨迹对地面流程弯管流速、固相颗粒体积分数、流速与弯管弯曲角度等冲蚀磨损影响因素进行了耦合分析。分析结果表明:不同产量对应的流速由14 m/s增大至23 m/s时,固体颗粒体积分数对弯管的最大冲蚀速率的影响最高达到了9.66倍;冲蚀固体颗粒体积分数由0.01%增大到0.09%时,流体流速对弯管最大冲蚀速率的影响最高达到了6.92倍;流速与固相颗粒的耦合影响最高可达到50.7倍;当流速一定时,随着弯管弯曲角度的增大,最大冲蚀率呈现出增大的趋势,流速与弯曲角度耦合影响最高可达到19.8倍;随着流速和固相颗粒体积分数的增大,地面流程弯管的最大冲蚀速率增大,当固体颗粒体积分数处于0.07%～0.09%时,流速对冲蚀的影响小于固相颗粒体积分数改变带来的影响。研究结果对于地面流程弯管的改进设计及其安全防护具有一定的指导作用。     

基于Fluent的天然气运输管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究

针对天然气运输管道的典型弯道冲蚀问题,依据现场实际生产情况,基于Fluent流体模拟软件建立相应的物理模型,选用standard k-ε模型、DPM离散相模型和冲蚀速率方程,分析讨论了固体颗粒直径、气体流速以及弯管角度对弯管冲蚀磨损的影响规律。结果显示:流体流速越快,颗粒对弯道的冲蚀越明显,流速与冲蚀率呈正相关;在同一流速下,随着颗粒粒径的增大,冲蚀率逐渐减小,最后趋于稳定;不同角度的弯头受到的侵蚀是不同的,应根据现场操作环境的差异,设计合适角度的弯头。模拟分析结果表明,天然气流速和固体颗粒直径是影响管道弯头冲蚀率的主要因素,并根据模拟结果提出了冲蚀防控措施。     

加氢反应流出物空冷器出口配管的弯管冲蚀特性表征及数值预测方法

针对加氢反应流出物空冷器(REAC)出口管道系统频繁发生的冲蚀失效问题,揭示了复杂流动腐蚀环境下管道冲蚀失效机理,提出了以离子传质系数(kc)及三向应力求得的最大剪切应力(τm)作为REAC出口配管的弯管冲蚀特性关键表征参数;采用Mixture多相流模型和SST k-ω湍流模型对空冷系统的出口配管进行流体动力学数值模拟,对比分析获得了各弯管处的传质系数和最大剪切应力的分布规律。结果表明：REAC出口配管的弯管中传质系数kc与最大剪切应力τm的重合位置位于弯管8上的55°≤α≤85°管段,是冲蚀失效的高风险区域;失效案例解剖结果表明,基于传质系数kc、最大剪切应力τm分布预测的冲蚀失效高风险区域与弯管冲蚀泄漏失效的区域基本一致。研究成果有望为空冷器进出口管道系统的耐流动腐蚀优化设计、优化运行和在役风险检验提供理论支撑依据。     

高压弯管压裂液两相流模拟及流固耦合分析

弯管作为高压管汇的组成部分,发生冲蚀磨损和变形失效情况比直管更加严重,因此对高压管汇弯管部位压裂液固液两相流动及流固耦合效应进行分析具有重要意义。鉴于此,将弯管作为分析对象,采用RANS方法及标准k-ε湍流模型,得到压裂液在弯管中固液两相流压力、速度及颗粒质量浓度分布情况,并通过双向流固耦合技术分析了支撑剂质量浓度、流速及颗粒粒径等因素对弯管剪应力大小及变形的影响。研究结果表明:在弯头部位存在较大的压力和流速梯度,且支撑剂颗粒主要聚集于弯头外侧,该区域存在较大的剪应力和变形;随着支撑剂质量浓度和流速的增加,流固耦合效果越明显,弯管剪应力和变形程度增加,其中流速能显著影响弯管流固耦合程度;随着支撑剂粒径的增大,弯管的流固耦合程度先增大后减小。研究结果可为现场压裂液的设计提供参考。     

含砂页岩气弯管冲蚀模拟研究

在页岩气生产与集输过程中,常常含有页岩砂粒,这些砂粒在弯管处会对管道造成严重的冲刷侵蚀,引起弯管位置发生冲蚀穿孔,带来严重的安全隐患。本文运用数值模拟软件模拟计算了90℃管道弯头的冲蚀磨损率,模拟分析了不同直径的页岩砂粒、不同含砂量对弯管段的冲蚀影响。结果表明砂粒直径越大,冲刷侵蚀速率越大,冲刷侵蚀区域越向下偏移;随着砂粒流量增大,冲刷侵蚀速率呈现先增大后降低并逐渐趋于稳定的趋势,砂粒流量越大侵蚀区域越集中。     

催化裂化油浆管道冲蚀损伤预测方法研究

以催化裂化油浆泵出口管道为研究对象,基于高温硫腐蚀和催化剂冲刷磨损机理分析,构建了一种适用于腐蚀、冲刷共同存在环境下的管道冲蚀损伤特性数值模拟预测方法,将流体流动、物质传递、化学反应和固体粒子追踪等多物理场模型耦合,获得流动参数、腐蚀介质浓度、催化剂碰撞角度分布,采用冲刷磨损速率、腐蚀减薄速率和表面减薄速率分别对冲刷、腐蚀和二者协同作用进行定量表征,并通过动态旋转挂片试验验证了数值模拟结果。结果表明：较大的压力、紊乱的流态能够驱动颗粒不规则运动,产生较大的冲刷磨损风险,也使管道近壁面的腐蚀介质分布不均匀,泵出口和水平直管段前端腐蚀介质浓度相对较高;在腐蚀-磨蚀协同作用下,管道壁面减薄速率平均值为0.46 mm/a,最大减薄速率可达0.55 mm/a;模型预测的损伤程度和减薄速率与实验结果基本吻合,研究成果可为管道损伤监测和寿命预测提供支持。     

颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响研究

本文采用模拟方法研究颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响,发现管道弯头外侧是冲蚀磨损最严重的区域,且远离入口的弯头所受到的磨损较为严重。随着颗粒直径增加,弯头平均冲蚀磨损速率也随之增加,靠近入口的弯头所受到的最大冲蚀磨损速率也随之变大,远离入口的弯头最大冲蚀磨损速率则减小;随着颗粒质量流量增加,弯头壁面最大冲蚀磨损速率和平均冲蚀磨损速率均有所增加,而颗粒形状越接近于球形,则弯头所受到的冲蚀磨损就越小。     

平椭圆弯管冲蚀磨损数值模拟

为了研究天然气运输过程中含砂气体对弯管的冲蚀磨损特性并提高弯管的耐磨性,在充分分析圆管流体冲蚀特性的基础上提出了平椭圆管道。利用气固两相流冲蚀方程对平椭圆管道弯头进行冲蚀磨损分析,研究了不同长宽比的平椭圆管道的冲蚀速率和冲蚀区域形状,从中优选出合适的长宽比,并分析了不同质量流量、不同粒子直径及不同气体流速等工况下粒子对管道冲蚀的影响。分析结果表明:相比于普通圆管,平椭圆管能明显降低最大冲蚀速率,随着平椭圆管长宽比的增大,最大冲蚀速率逐渐下降;当长宽比达到1.4后,最大冲蚀速率下降的速度明显降低,因此认为平椭圆管最适宜的长宽比为1.4,此时最大冲蚀速率下降了21.9%;当粒子直径增大时,平椭圆管弯头处的最大冲蚀速率先升高、后降低、再升高,冲蚀区域基本保持不变。所得结论可为平椭圆弯管抗冲蚀措施的制定提供参考。     

压裂工况下油气田地面管汇的冲蚀磨损研究

水力压裂施工时,携砂液中的高流速、高强度支撑剂颗粒会对地面高压管汇的内壁产生一定的冲蚀磨损,其中弯管的冲蚀磨损尤其严重。为准确掌握在不同工况下高压管汇内多相流的流动规律以及冲蚀磨损的具体分布情况,在高压管汇材料冲蚀磨损试验的基础上,应用计算流体力学方法及ANSYS-FLUNT软件建立了适合水力压裂工况的固液两相流数学模型,得到了高压管汇弯管内液相及固体粒子的流动规律、压力变化规律以及冲蚀磨损的分布规律,并与现场回收的失效样品进行了对比验证。研究结果可以为高压管汇的设计制造、重点部位的监测等安全防护技术提供参考。     

空气钻井中颗粒对排气管的冲蚀分析

空气钻井中,携带岩屑颗粒的高速气体对管柱、尤其对地面的排气弯管会造成严重的冲蚀。利用CFD软件计算了90°弯角的排气管中气体的压力和速度分布,仿真了弯管中颗粒的运移轨迹,对比了不同弯角下颗粒对排气管的冲蚀速率,定性地分析了岩屑颗粒对排气管的冲蚀规律。结果表明,在弯管外侧壁面的气体压力明显大于弯管内侧壁面,速度则体现相反规律 弯管外侧是最易发生冲蚀的位置 颗粒对弯管的冲蚀速率是随着弯角的增大而增大,但是在不同的弯角范围内,冲蚀速率的变化趋势不同,在20°～40°范围内冲蚀速率变化较缓慢,在100°～140°范围内冲蚀速率变化速度明显增加。     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。