徐婷婷，丁智超，戴 兵

（1.江蘇騰龍石化機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

金雪梅等[1]對壓裂過程中高壓管匯進(jìn)行失效原因分析，驗證高壓管匯在高壓中存在的薄弱環(huán)節(jié)。孫曉迎等[2]利用ANSYS和Comsol Multiphysics軟件進(jìn)行應(yīng)力云圖分析，為壓裂設(shè)備關(guān)鍵零件的科學(xué)設(shè)計提供理論依據(jù)。肖益民等[3]借助Fluent軟件對Y型喉管內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值仿真，重點研究顆粒不同入射角對喉管內(nèi)流場的影響。李靜等[4]運(yùn)用FLUENT軟件中的RNGk-ε模型對不同雷諾數(shù)Re和不同半徑比Rc/D下90°圓弧彎管內(nèi)的流體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管內(nèi)流體的速度場分布、壓力場分布以及二次流現(xiàn)象。

本研究以一種壓裂酸化井口裝置KL130/78/65-105為研究對象，對其中管道連接處在湍流流場液固兩相流條件下研究其磨損及失效部位。利用solidworks軟件進(jìn)行管道的幾何建模，并運(yùn)用workbench-Fluent建立仿真模型，對后期管道連接處保護(hù)以及密封起到一定借鑒作用。

1 建立物理模型與網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型的建立

以105 MPa壓裂酸化井口中管道為分析對象，零件位置如圖1，管道接口采用法蘭連接，按照執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 6A 21，主通經(jīng)130 mm，建立模型并對閥體管道進(jìn)行材料選擇，根據(jù)GB/T22513規(guī)范要求以及現(xiàn)場使用情況，閥體管道材料為35CrMo，其硬度為229HB、沖擊韌性為782。建立幾何模型時需要對研究對象的模型進(jìn)行簡化。由于井口內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，三維建模如圖2。

圖2 管道1/4剖視圖

1.2 網(wǎng)格劃分

法蘭連接管道基本可看做中空圓柱體。由于圓柱體建模適合采用先生成塊再進(jìn)行O-BLOCK方法切分，這樣使得結(jié)構(gòu)生成的網(wǎng)格對于圓柱體非常合適。因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。將建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Geometry里，應(yīng)用Fill功能填充計算域，完成后將其導(dǎo)入Mesh中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示。圖共劃分網(wǎng)格節(jié)點19635個，網(wǎng)格單元96384個。

圖3 通道網(wǎng)格劃分

2 設(shè)定求解方法與模擬結(jié)果

管道沖蝕主要因素是流體中巖屑或重晶石對管道避免沖擊形成不穩(wěn)定流造成，因此驗證流體方程對流體中巖屑和重晶石設(shè)定求解方法，包括固體顆粒重力、沖蝕磨損基本方程和液固兩相流基本方程。設(shè)定求解方法中公式的引用是作為前期軟件條件的設(shè)定，滿足壓裂井口基本工況的液固兩相流及液固兩相流中固體顆粒的在其流動時所受重力的影響，其作為模擬分析必要條件、驗證設(shè)定在軟件模擬時均能體現(xiàn)，使其對后期模擬結(jié)果更加切合實際。

2.1 重力

采油管道沙粒所受重力表達(dá)式

式中，ma為顆粒質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2 液固兩相流基本方程

液固兩相理論的是通過將固體顆粒和氣體分子相對應(yīng)，認(rèn)為固體顆粒運(yùn)動具有相通性，基于氣體分子動力論來研究顆粒相。持續(xù)流理論是假定兩相都是連續(xù)介質(zhì)，并可以同時出現(xiàn)在同一位置，并有相應(yīng)的流動特性，二者通過相間耦合作用施加影響。

2.2.1 連續(xù)方程

不可壓縮湍流瞬時速度滿足的連續(xù)方程為：

對其進(jìn)行平均運(yùn)算，有：

根據(jù)平均值定義，將瞬時速度f表示為時均值與脈動值f′之和，得：

2.2.2 動量方程

對于不可壓縮湍流瞬時運(yùn)動的N-S方程：

2.3 模擬結(jié)果與分析

本研究以模擬分析沖蝕位置為主，通過Solid-Works對采油井口裝置管道建模，后通過ANSYS fluent軟件及具體分析所用到的就解方程對裝置具體使用環(huán)境與工況進(jìn)行模擬分析，與返廠維修管道失效零件進(jìn)行對比驗證，驗證其具體沖蝕位置，以及法蘭連接處內(nèi)部具體沖蝕位置進(jìn)行可視化，對后期法蘭連接處保護(hù)與改進(jìn)提供參考。取法蘭管道的外徑R=200 mm，內(nèi)徑r=130 mm，內(nèi)壓pi=105 MPa，外壓po=0 MPa。

運(yùn)用FLUENT軟件中的RNGk-ε模型對法蘭連接管道內(nèi)的流體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管內(nèi)流體的速度場分布、壓力場分布。通道內(nèi)流體速度云圖（圖4、圖5）。結(jié)果顯示，在105 MPa（15000 psi）條件下，通道內(nèi)部流體速度場呈現(xiàn)均勻分布，流速集中于通道中間部分且壁面呈現(xiàn)低速均勻分布，高度場集中于管道中間部分且有中心向外圈遞減現(xiàn)象。

圖4 入口端速度云圖

圖5 管道內(nèi)部速度云圖

通道內(nèi)流體壓力云圖（圖6、7）。圖示結(jié)果：在高壓情況下，管道內(nèi)流體壓力在管道中間法蘭連接處和進(jìn)口前端出現(xiàn)高壓力點現(xiàn)象，且在法蘭連接處呈現(xiàn)不均勻高壓點，其對法蘭處沖蝕呈現(xiàn)以點蝕為基礎(chǔ)的磨損，除上述兩處其余部位呈現(xiàn)壓力均勻分布，壓力點在不均勻條件下易在高壓點部位出現(xiàn)沖蝕磨損。模擬分析結(jié)果于返廠失效零件部位反饋一致。

圖6 管道壓力云圖

圖7 管道XZ截面壓力云圖

3 結(jié)語

基于液固兩相流條件下，采用CFD計算流體動力學(xué)方法（標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型）及ANSYS fluent軟件，對壓裂井口裝置管道連接處在105 MPa壓力條件下的流場進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：沖蝕磨損的部位基本集中于法蘭連接環(huán)的一處。即壓裂酸化井口裝置在105 MPa工況條件下，內(nèi)部管道通過法蘭連接，沖擊高壓力點出現(xiàn)在管道連接處以及管道入口于連接處前端部位，該部位因通道連接改變而會成為流體沖擊內(nèi)壁出現(xiàn)沖蝕磨損。

模擬分析結(jié)果顯示，壓力點較為集中，在高壓管道內(nèi)易造成該部位的沖擊磨損，應(yīng)該將以上沖蝕較為集中區(qū)域作為重點保護(hù)對象。重點部位結(jié)構(gòu)材料選用耐沖蝕材料或在沖蝕部位對焊耐沖蝕硬質(zhì)合金管道連接處流體沖擊最為嚴(yán)重，可以在連接處改進(jìn)原有密封墊環(huán)，可以實現(xiàn)密封與保護(hù)同時實現(xiàn)目的。