螺旋轴流式混输泵进口管道冲蚀磨损的数值模拟

发布时间：2020-07-17 04:08

【摘要】：螺旋轴流式混输泵具有排量大、对砂粒不敏感等优势,在石油工业领域应用较广。然而该类型泵的进口管道常见因砂粒冲击而发生冲蚀磨损,对泵的正常运行及安全生产造成隐患。本文基于计算流体动力学(CFD),采用数值模拟的方法对螺旋轴流式混输泵进口管道的冲蚀问题进行研究,具有重要工程应用价值。基于单向耦合的欧拉-拉格朗日法,建立了混输泵进口管道两相冲蚀模型,包括流动模型、颗粒运动模型及冲蚀方程三大模块。通过与解析解及试验结果对比,分别验证了上述三部分模型的准确性。采用CFD数值模拟方法,将得到验证的模型应用于混输泵进口管道,研究其冲蚀规律。结果显示,液固两相最大冲蚀速率与流速呈指数关系增长,且此指数系数为2.76;与颗粒的质量流量线性正相关;随着颗粒粒径的增大先减小后增大,且临界粒径为100?m。然后,采用正交设计的方法,研究了三个主要参数对冲蚀的影响程度。结果表明,颗粒的质量流量影响最大,速度次之,粒径最小。此外,研究发现扩散角为5?的渐扩管内部流场无旋涡出现、压降较小,且最大冲蚀速率是突扩管的1/2,说明该类管道在减少能量损耗、降低冲蚀磨损及保障泵高效运行方面具有优势,因此本文推荐采用此渐扩管作为混输泵的进口管道。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE974.1
【图文】：

混输泵,螺旋轴流式,双螺杆泵,种类

随着国际能源需求的不断提高，陆地和近海油气资源储量在长达一个多世纪的开采后日益趋紧[1]。在当前形势下，加大力度勘探开发海洋、沙漠等环境恶劣的偏远油田势在必行。上述油田的开发存在输送距离远、投资耗费大等问题。为降低开采成本、提高经济效益，油气多相混输技术因具备大幅减少管线和其它基建设备的投资、监控及维护等费用的特点，在过去的数十年间得到了较大发展。多相混输技术的核心设备是混输泵，目前工程应用上常见的混输泵主要有基于容积变化的双螺杆泵和叶片旋转动力式的螺旋轴流式混输泵两大类，如图 1.1 所示。双螺杆泵的研制起步较早，经过半个多世纪的发展目前已在工业上得到广泛应用，其主要优势为对气体适应性好、能够输送粘度很大的流体。然而双螺杆泵对砂粒较为敏感，即使浓度较小的砂粒进入泵内，也会造成严重的磨损，进而导致泵的工作性能下降，缩短泵的使用寿命[2]。相比较而言，螺旋轴流式混输泵作为一种叶片式动力泵，具有排量大、结构简单紧凑、对固体颗粒不敏感等优点，因此在石油工业含砂混输技术中具有广阔的应用前景[3]。

螺旋轴流式,混输泵

第1 章绪论工作，自主设计研发的该类型泵的主体结构如图 1.2 所示，由吸入单元、、泵体、辅助单元、进口管道和出口管道等部分组成。经过二十多年的研目前实验室课题组在泵的设计尤其是叶轮设计、性能预测、可视化试验及规律等方面的研究水平已达到国内领先地位。然而实践表明，含砂混输时的各过流部件常发生冲蚀磨损[5]，零部件乃至机械系统可因此失效，严重业停产甚至对环境和人员造成伤害。而且实验室课题组目前尚缺乏对螺混输泵冲蚀磨损方面的研究，因此以此类型泵的过流部件作为研究对象，蚀问题已十分有必要。

技术路线图,技术路线

口管道冲蚀规律研究的 CFD 冲蚀模型，对螺旋轴流式混输泵进口管道种类、流速、颗粒粒径及质量流量等主要因素对冲正交设计方法研究流速、颗粒粒径、颗粒的质量流的重要程度。对泵性能影响研究流式混输泵的性能特点，采用冲蚀模型下的粗糙壁管道与泵性能的关系。此外，研究不同几何型式的口管道的选型提供参考。路线主要研究内容，制定以下技术路线，如图 1.4 所示

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