涩北气田集输管件冲蚀磨损特性及脆性涂层耐磨性能研究

发布时间：2017-08-02 06:10

  本文关键词：涩北气田集输管件冲蚀磨损特性及脆性涂层耐磨性能研究

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【摘要】：涩北气田储层中泥质胶结强度较低,因而在其开采过程中会出现较为严重的气井出砂现象,这些砂粒会随气流进入涩北气田内部的集输管线中,并对其中的局部管件造成严重的冲蚀磨损现象,从而影响涩北气田的正常生产,并有可能进一步造成管件壁面的刺漏,甚至引发相应的安全事故。针对这一问题,考虑管件入口流速、砂粒直径、砂粒质量流量等参数的变化范围,通过数值模拟分析涩北气田各类集输管件的冲蚀磨损特性,从不同方面提出具有针对性的冲蚀防护措施,并对各类防护措施进行分析比较,根据比较结果,重点对SiC脆性涂层应用于涩北气田集输管件上的冲蚀防护效果、材料失效机理及耐磨性能进行了研究,具体的研究内容如下：(1)为了建立模拟计算碳钢管件冲蚀磨损特性的数学模型,基于气固两相流理论,通过欧拉法计算气相流场、拉格朗日法跟踪砂粒轨迹,并将其与塑性材料的冲蚀磨损理论相结合以完成数学模型的构建。(2)针对涩北气田集输管件的冲蚀磨损问题,确定所要研究的集输管件类型以及管件入口流速、砂粒直径、砂粒质量流量等工况参数的范围,针对涩北气田某开发单元中的部分站内集气管线,基于上述数学模型模拟计算了管线中所用弯管、T型三通、球阀这三类管件的最大冲蚀磨损速率,并从各管件内部的气相流场及砂粒运动轨迹两方面来对其冲蚀磨损特性进行具体分析,包括冲蚀磨损集中区位置及冲蚀磨损速率值,此外还进一步分析了管件结构及工况参数的变化对其冲蚀磨损特性的影响规律。分别从确定各类管件重点防护区域、改变冲蚀砂粒近壁面处的运动轨迹以及运用耐磨涂层这三个方面来对管件冲蚀磨损的防护措施进行分析比较,并指出喷涂耐磨涂层是现今工程中应用最为广泛的冲蚀磨损防护方法,可用于本文中涩北气田集输管件的冲蚀防护。(3)为了优选出冲蚀防护效果相对最好的耐磨涂层,对有机材料、塑性材料、脆性材料三种耐磨涂层的自身特点及适用性进行比较,通过比较确定将脆性耐磨涂层作为涩北气田集输管件的冲蚀防护材料。为了对脆性涂层的冲蚀防护效果进行评估,将显式动力学计算模型、脆性材料的非线性本构模型及材料失效准则相结合,以建立动态模拟砂粒冲击脆性涂层的数学模型。(4)为了对脆性耐磨涂层的应用效果及耐磨性能进行分析,确定SiC脆性涂层及涩北气田集输管材的相关参数,建立多颗粒连续冲蚀涂层／管件基体双层局部靶板的物理模型,并基于上述数学模型对其进行冲蚀过程的动力学模拟,分析了脆性涂层在应用于涩北气田集输管件内壁上时,其冲蚀防护效果及冲蚀失效机理,通过统计涂层失效单元数来确定其局部冲蚀量,以研究不同因素对脆性涂层耐磨性能的影响规律,从而为其在涩北气田上的实际应用提供理论依据。
【关键词】：集输管件 冲蚀磨损特性 冲蚀防护 脆性涂层 耐磨性能
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE977
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 论文研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-23
• 1.2.1 冲蚀磨损的分类及气固两相流概述10-12
• 1.2.2 冲蚀失效机理及相关理论模型12-16
• 1.2.3 冲蚀环境下材料耐磨性能的影响因素分析16-19
• 1.2.4 管件整体冲蚀磨损特性的研究19-22
• 1.2.5 管件冲蚀磨损的防护22-23
• 1.3 本文的主要研究内容和技术路线23-25
• 1.3.1 主要研究内容23
• 1.3.2 技术路线23-25
• 第2章 管件冲蚀磨损特性模拟理论与分析25-38
• 2.1 FLUENT软件介绍及离散相模型的选择25-26
• 2.2 离散相模拟数学模型的建立26-33
• 2.2.1 连续相(气相)控制方程及湍流模型26-28
• 2.2.2 离散相颗粒轨迹计算模型28-29
• 2.2.3 相间耦合计算29-30
• 2.2.4 适用于有限体积法的冲蚀磨损速率计算模型30
• 2.2.5 基于有限体积法的控制方程离散30-33
• 2.3 离散相模拟分析步骤及关键技术33-36
• 2.3.1 总体分析步骤33-34
• 2.3.2 网格划分方法34
• 2.3.3 离散相边界条件的设置34
• 2.3.4 近壁区内流体的处理方法34-36
• 2.4 实例验证36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 涩北气田集输管件冲蚀磨损特性数值模拟38-64
• 3.1 研究对象及工况参数范围的确定38-39
• 3.1.1 研究对象的确定38
• 3.1.2 气质条件及工况参数范围的确定38-39
• 3.2 弯管冲蚀磨损特性分析39-46
• 3.2.1 弯管冲蚀磨损特性模拟结果分析39-42
• 3.2.2 弯管自身结构及尺寸的变化对其冲蚀磨损特性的影响42-44
• 3.2.3 工况参数变化对弯管冲蚀磨损特性的影响44-46
• 3.3 T型三通冲蚀磨损特性分析46-53
• 3.3.1 T型三通冲蚀磨损特性模拟结果分析46-51
• 3.3.2 T型三通自身结构及尺寸变化对其冲蚀磨损特性的影响51-52
• 3.3.3 工况参数变化对T型三通冲蚀磨损特性的影响52-53
• 3.4 球阀冲蚀磨损特性分析53-62
• 3.4.1 球阀冲蚀磨损特性模拟结果分析54-57
• 3.4.2 球阀自身结构及尺寸变化对其冲蚀磨损特性的影响57-61
• 3.4.3 工况参数变化对球阀冲蚀磨损特性的影响61-62
• 3.5 涩北气田集输管件冲蚀磨损的防护措施62-63
• 3.5.1 确定管件的冲蚀防护重点区域62
• 3.5.2 改变冲蚀砂粒近壁面处的运动轨迹62-63
• 3.5.3 耐磨涂层的运用63
• 3.6 本章小结63-64
• 第4章 耐磨涂层适用性分析及耐磨性能动力学模拟理论与分析64-77
• 4.1 集输管件内壁耐磨涂层的适用性分析64-67
• 4.1.1 有机材料耐磨涂层的特点及适用性分析64-65
• 4.1.2 塑性材料耐磨涂层的特点及适用性分析65
• 4.1.3 脆性材料耐磨涂层的特点及适用性分析65-67
• 4.2 脆性涂层耐磨性能的动力学模拟67-75
• 4.2.1 ANSYS/LS-DYNA显式动力学软件简介67-68
• 4.2.2 三维实体单元的基本显式算法68-70
• 4.2.3 冲蚀动力学模拟分析步骤及关键技术70-75
• 4.3 脆性涂层材料的选择及模型有效性验证75-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 脆性涂层冲蚀防护效果分析及耐磨性能模拟77-92
• 5.1 脆性涂层的材料特性77
• 5.2 脆性涂层冲蚀防护效果及冲蚀失效机理分析77-83
• 5.2.1 模型建立及网格无关性验证77-79
• 5.2.2 脆性耐磨涂层冲蚀防护效果分析比较79-80
• 5.2.3 脆性耐磨涂层材料冲蚀失效机理分析80-83
• 5.3 材料机械性质对脆性涂层耐磨性能的影响83-87
• 5.4 冲蚀砂粒的性质对脆性涂层耐磨性能的影响87-90
• 5.4.1 砂粒冲角的影响87-88
• 5.4.2 砂粒冲速的影响88-89
• 5.4.3 砂粒直径的影响89-90
• 5.5 本章小结90-92
• 第6章 结论与展望92-94
• 6.1 结论92-93
• 6.2 展望93-94
• 致谢94-95
• 参考文献95-102
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果102

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本文编号：607924