高压流体控制元件的冲蚀分析及改进设计

发布时间：2017-04-26 01:10

  本文关键词：高压流体控制元件的冲蚀分析及改进设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几年来,随着石油储备资源越来越少,开采难度不断增加。在压裂过程中,经常会出现活动弯头等管件因冲蚀破坏而产生的刺裂、爆裂等质量问题。究其原因主要是产品的强度和冲击韧性不足。所以本文针对目前高压流体元件在使用中所存在的问题,对具有代表性的活动弯头进行了冲蚀分析及结构的改进设计。本文总结了目前比较有说服力的几种冲蚀磨损理论,并分析了各自的优缺点及适用范围。结合压裂管汇的实际工况,确立了受液固两相流冲蚀的活动弯头的冲蚀磨损机制。归纳了影响活动弯头冲蚀率的主要因素,可分为四个方面：(1)颗粒性质：包括粒子的密度、形状因子、大小、破碎性等；(2)靶材因素：包括材料的成分、力学性能和组织结构等；(3)流体因素：包括流速、颗粒质量流量、粘度等；(4)环境因素：包括温度、压力及介质的性质等。并详细介绍了各因素对冲蚀磨损的影响规律。本文根据高压活动弯头受冲蚀作用的特点,建立了液固两相流的CFD数学模型。包括基本控制方程、湍流模型、离散相模型和冲蚀计算模型。基本控制方程主要包括三个守恒方程,即质量、动量和能量守恒方程；FLUENT软件中的比较常用的湍流模型主要有两大类：k-s模型和k-ω模型。根据各湍流模型的特点及适用范围,本文所研究的高压活动弯头的冲蚀分析是液固两相流,属于湍流流场,所以主要采用标准k-ε模型,并进行相关处理。本文对活动弯头的冲蚀分析属于含少量颗粒的湍流流动,所以采用离散相模型。离散相模型可以直接对颗粒进行跟踪,可以分析出粒子间的受力状况,以及离散相与连续相之间的相互作用。本文冲蚀模型采用FLUENT软件中提供的冲蚀模型。该理论认为冲蚀率的大小与材料、颗粒的质量流量、冲击角度及冲击速度相关。本文通过数值模拟的方法,分析了压裂液对活动弯头的冲蚀作用,以及各种因素对弯头冲蚀规律的影响。分别从弯头角度、流速、颗粒的质量流量、冲蚀角度、颗粒直径、颗粒密度、弯径比、液体粘度以及颗粒形状因子等方面进行了分析。得出以下结论：弯头的外弧内壁是受冲蚀作用最严重的区域；随着弯头角度的逐渐增大,最大冲蚀率逐渐减小,冲蚀面积往出口方向发展；在流速一定时,最大冲蚀率位于弯管65°～75°附近,与已有文献结论一致；弯头的最大冲蚀率随着流速的增加呈指数增加,符合关系式ε=K·v”；弯头的最大冲蚀率随着粒径、颗粒密度的增加而增大,随着弯径比、液体粘度的增加而减小；颗粒形状因子对冲蚀率也有影响,形状因子越小,即颗粒越尖锐,冲蚀率越大。本文根据冲蚀分析的结果和活动弯头在使用中出现的破坏形式对弯头的壁厚和滚道部位进行了结构的改进设计。(1)对壁厚的改进：将GB 50253-2003输油管道与ASME B31.1-2004压力管道弯头的壁厚设计方法进行了对比,根据环向应力分布图可知,ASME B31.1-2004的设计公式比较合理。最终将管体壁厚由等径截面改为不等径截面,在满足内壁受力的条件下,适当地增加外壁厚,从而增加弯头部分的使用寿命；(2)对滚道部位结构的改进设计：在常规等径直面滚道结构的基础上设计了三种结构,即改进的两台阶不等径滚道结构、改进的两台阶等径滚道结构、改进的三台阶不等径滚道结构,并通过ANSYS软件对这四种不同结构的弯头进行了应力分析,对比分析结果发现：改进的三台阶不等径滚道结构受力情况最好,改善了连接部分的受力状态,最大应力与常规结构相比减小了33%,从而提高了活动弯头的强度。本文通过CFD数值模拟,分析了活动弯头在不同压裂工况下的冲蚀磨损机理,研究结果对于丰富冲蚀磨损机理、理解材料冲蚀规律、改善管汇的安全运行状况,提高设备的安全可靠性、指导压裂过程等具有巨大的理论意义和工程意义。另外,根据对高压流体控制元件冲蚀分析,进而对活动弯头进行了结构的改进,改善了受力状况,大幅提高了活动弯头的强度,从而延长了其使用寿命。
【关键词】：活动弯头 冲蚀分析 影响因素 结构改进
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE937
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外冲蚀磨损研究现状11-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 第2章 冲蚀磨损概述18-27
• 2.1 冲蚀磨损理论18-22
• 2.2 影响冲蚀磨损的因素22-25
• 2.3 本章小结25-27
• 第3章 液固两相流CFD数学模型27-35
• 3.1 基本控制方程27-28
• 3.2 湍流模型28-30
• 3.3 离散相模型30-33
• 3.4 冲蚀计算模型33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 管道内液固两相流的冲蚀分析35-62
• 4.1 高压活动弯头的冲蚀分析35-44
• 4.2 不同角度弯头的冲蚀分析44-46
• 4.3 各因素对冲蚀率的影响46-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 活动弯头结构的改进设计62-85
• 5.1 弯头部位结构的改进设计62-69
• 5.2 弹道部位结构的改进设计69-84
• 5.3 本章小结84-85
• 第6章 总结与展望85-88
• 6.1 本文完成的主要工作85-86
• 6.2 本文的主要创新点86
• 6.3 不足与展望86-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-93
• 个人简介93-94

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