稠油热采智能转换接头设计及抗腐蚀性能研究

发布时间：2017-03-27 07:09

  本文关键词：稠油热采智能转换接头设计及抗腐蚀性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文针对稠油热采工艺需求,根据Y接头高温高压(290℃和21MPa)的设计要求,基于液压传动原理优化设计了一种可以实现采油状态与测试状态智能转换的高温Y接头,Y接头的实际运行工况对其密封性能和腐蚀性能提出了更高的要求。本文以研发的Y接头作为研究背景,通过样机实验及有限元分析对Y接头的整体结构不断优化改进,使其功能性与密封性能满足高温高压下的设计要求,以实现正常作业时的智能转换。以Y接头主体材质42CrMo钢为研究对象,通过高温腐蚀实验和电化学腐蚀实验研究激光冲击强化对其耐腐蚀性能的影响,主要研究内容及所获成果如下:1.Y接头功能性、密封性能试验及内部流场模拟试验对加工出的样机进行常温及高温下的功能和密封性验证,不断对样机进行结构优化改进。利用ANSYS软件对装置单向阀在四个不同开度下的内部流场进行了模拟,比较分析了单向阀处于不同开度时装置内部流场的速度分布图和湍动能分布图。研究表明:通过对金属O型密封圈安装凹槽尺寸优化调整去除0.3mm余量,对金属O型圈壁厚及镀层进行改进,在相邻的两个螺栓孔之间分别增加一个M17的螺纹孔并规范安装流程等方式,减小了主体材料由于螺栓夹紧时周向受力不均匀而导致的局部变形,使得接头左右半体间的密封性能得以保证。综合考虑材料高温膨胀性能以及安装时的配作间隙,采用盘根环组合的密封方式,可以保证密封舌在运行工况下的密封性能。单向阀的开度限位在50mm时,装置的内部流动较为稳定,且湍动能损失量较小,可以获得较高的采油效率。湍动能耗散最大的部位处在单向阀的流体扰流部位,在设计时应该尽量增大单向阀阀口处过度端面的锥角,并提高球阀的表面加工精度,这为装置在降低能量损失方面的结构优化奠定了基础。2.对42CrMo钢进行激光冲击强化的实验研究和数值模拟。采用激光冲击强化技术对42CrMo钢进行表面处理,并通过材料硬度和残余应力的测量探究激光冲击强化的效果。通过ANSYS/LS-DYNA软件建立42CrMo钢激光冲击强化的有限元模型,模拟冲击压力波作用过程及其形成的残余应力场,最后将实验和模拟结果进行对比分析。研究表明:激光冲击强化对42CrMo钢硬度、残余压应力的提高具有显著效果,硬度的影响层可达到0.6-0.7 mm,残余压应力的影响层可达到0.65 mm左右。通过模拟结果可知,冲击波作用在材料内部可形成稳定的残余应力场。Von Mises应力值、残余应力值均随着冲击能量的增大呈现增大的趋势,其中8J与6J双次能量冲击效果基本相同。残余压应力在深度方向可影响0.48 mm。由于模拟过程中本构模型经过了简化处理,且采用的是单点冲击,而实测值是多点搭接冲击,且在测量残余应力前对材料的前期处理已经产生了一定大小的残余应力。因此,数值模拟与实验值之间存在差距符合理论常理,二者在说明激光冲击强化能提高42CrMo钢材料内部的残余压应力方面具有一致性。3.对激光冲击强化前后的42CrMo钢进行高温腐蚀实验和电化学腐蚀实验。采用高温腐蚀、电化学腐蚀两种方式探究激光冲击强化对42CrMo钢耐腐蚀性能的影响。通过观察材料表面微观腐蚀形貌并测取能谱图衡量材料高温抗腐蚀效果。通过测量电化学极化曲线,并观察电化学实验后材料的微观腐蚀形貌分析电化学腐蚀效果。研究表明:激光冲击强化处理后,42CrMo钢高温耐腐蚀性能得到提高。材料表面仅出现一些微裂纹的扩展,表层裂纹深度也相对较浅,表面氧化膜几乎未见脱落。激光冲击对42CrMo钢材料表面进行强化后,材料整体的耐腐蚀性能得到了明显的提高。极化曲线的腐蚀电位总体上发生正向移动,腐蚀电流与原试样相比也有所降低,说明腐蚀倾向变小。阻抗谱的分析结果也显示激光冲击后阻抗弧的半径增大,说明耐腐蚀性能得到改善。材料的微观形貌图也可以看出激光冲击后材料的腐蚀坑班数量减少,坑班深度变浅,材料整体的腐蚀程度变轻。极化曲线的测量以及电化学腐蚀后材料表面微观形貌的测量结果,二者在说明激光冲击强化能提高42CrMo钢材料耐腐蚀性能方面具有一致性。
【关键词】：智能转换 密封性能 耐腐蚀性 激光冲击强化 高温腐蚀 电化学极化曲线
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE93
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 目的和意义12-13
• 1.2.1 研究目的12
• 1.2.2 研究的意义12-13
• 1.3 应用与技术现状13-16
• 1.4 研究难点16
• 1.5 论文结构及主要研究内容16-19
• 第二章 智能转换接头设计研究理论基础19-37
• 2.1 引言19
• 2.2 机械设计相关支撑理论19-23
• 2.2.1 密封技术简述19-22
• 2.2.2 主体材料表面强化处理技术22-23
• 2.3 数值分析相关理论基础23-26
• 2.3.1 控制方程23-24
• 2.3.2 湍流模型24-26
• 2.3.3 近壁区的流动计算26
• 2.4 激光冲击强化的基础理论26-32
• 2.4.1 激光冲击强化原理26-27
• 2.4.2 冲击波对材料的作用过程27-29
• 2.4.3 激光冲击诱导残余应力场的形成29-30
• 2.4.4 激光冲击强化数值模拟过程简述30-31
• 2.4.5 LS-DYNA中动力学有限元方程的求解算法31-32
• 2.5 高温腐蚀和电化学腐蚀相关理论32-35
• 2.5.1 高温腐蚀热力学机理32-34
• 2.5.2 电化学腐蚀机理34-35
• 2.6 本章小结35-37
• 第三章 Y接头结构设计37-45
• 3.1 引言37
• 3.2 Y接头设计要求37
• 3.3 Y接头工作原理37-39
• 3.4 Y接头的总体设计39-43
• 3.4.1 主要部位尺寸设计39-40
• 3.4.2 主要部位密封结构设计40-42
• （1）密封舌与密封滑道间密封41
• （2）左半主体与右半主体间密封41
• （3）密封舌与测试通道间密封41-42
• 3.4.3 装置主体材料的选择42-43
• 3.4.4 装置主体材料表面处理43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 Y接头性能验证试验及分析45-69
• 4.1 Y接头常温功能验证实验45-49
• 4.1.1 实验方案45-47
• 4.1.2 数据分析及总结47-49
• 4.2 Y接头常温高压密封试验49-59
• 4.2.1 实验设备及思路49-50
• 4.2.2 实验方案50-54
• 4.2.3 数据分析与阶段性实验总结54-56
• 4.2.4 Y接头结构优化56-57
• 4.2.5 结构改进后的高压密封性能实验57-59
• 4.2.6 实验小结59
• 4.3 高温功能性及密封性实验59-64
• 4.3.1 实验思路及目的59-60
• 4.3.2 实验装置及设备60
• 4.3.3 实验方案60-63
• 4.3.4 数据分析63-64
• 4.3.5 高温实验总结64
• 4.4 单向阀不同开度下 Y 接头内部流场的有限元分析64-68
• 4.4.1 有限元模型的建立65
• 4.4.2 边界约束与加载方式65-66
• 4.4.3 计算结果与分析66-67
• 4.4.4 结构优化67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第五章 42CrMo钢激光冲击实验及数值分析69-91
• 5.1 激光冲击强化试验装置与材料69-71
• 5.1.1 激光冲击试验装置69-70
• 5.1.2 试验材料制备70-71
• 5.2 激光冲击强化后性能测试71-76
• 5.2.1 激光冲击强化后材料硬度的测量71-73
• 5.2.2 激光冲击强化后材料残余应力的测量73-76
• 5.3 冲击强化材料数值模拟的模型参数构建以及边界条件的设置76-80
• 5.3.1 计算模型的创建76
• 5.3.2 网格划分和单元的选择76-77
• 5.3.3 材料本构模型的选定77-78
• 5.3.4 冲击波压力加载78-79
• 5.3.5 边界条件及求解控制79-80
• 5.4 残余应力场模拟结果分析80-88
• 5.4.1 冲击波的传播80-84
• 5.4.2 激光冲击过程中能量变化规律84
• 5.4.3 表面和深度方向的残余应力场84-87
• 5.4.4 残余应力场实验值与模拟值的比较87-88
• 5.5 本章小结88-91
• 第六章 激光冲击对 42CrMo腐蚀性能影响研究91-105
• 6.1 高温腐蚀实验91-97
• 6.1.1 高温腐蚀实验方案91-94
• 6.1.2 实验数据处理与结果分析94-97
• 6.2 电化学腐蚀实验97-104
• 6.2.1 电化学腐蚀实验方案97-100
• 6.2.2 实验数据处理与结果分析100-104
• 6.3 本章小结104-105
• 第七章 结论及展望105-109
• 7.1 本文主要研究工作及总结105-106
• 7.2 后续研究工作展望106-109
• 参考文献109-113
• 攻读硕士学位期间发表的论文与科研情况113-115
• 致谢115

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