基于Fluent的高壓針形節(jié)流閥沖蝕磨損分析

1、74 年第期學(xué)術(shù)研討基于的高壓針形節(jié)流閥沖蝕磨損分析曾偉吳巍巍成都西南石油大學(xué)摘要針形節(jié)流閥是高壓氣井重要的井口設(shè)備之一，其抗沖蝕性能是影響其使用壽命的重要因素。本文運用沖蝕模型，對針形節(jié)流閥進(jìn)行氣固兩相流沖刷磨蝕的數(shù)值仿真，得到節(jié)流閥閥腔受介質(zhì)沖蝕嚴(yán)重的部位，提出了降低節(jié)流閥沖蝕磨損率的措施，分析結(jié)果為節(jié)流閥的抗沖蝕結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的依據(jù)。關(guān)鍵詞針形節(jié)流閥沖蝕磨損模型相對磨損率針形節(jié)流閥主要用于高壓油氣井井口采油樹，其工況特征是承受高壓載荷及高速氣流沖刷。從現(xiàn)場使用情況來看，由于油氣中存在的巖屑、砂粒等顆粒雜質(zhì)長期沖刷閥體，經(jīng)常會造成節(jié)流閥閥芯斷裂，閥體刺穿，從而導(dǎo)致節(jié)流閥失效。因此，找出

2、節(jié)流閥閥體內(nèi)受介質(zhì)磨損嚴(yán)重的部位，通過措施來降低介質(zhì)對閥體的磨損，提高節(jié)流閥的抗沖蝕性能，是提高節(jié)流閥壽命的有效途徑。節(jié)流閥的沖蝕模型（）磨損方程。粒子對材料的沖蝕程度可以用沖蝕率來衡量，其定義為單位重量粒子對材料造成的重量損失即模型中，顆粒對材料的沖蝕磨損率定義為：（）式中： 為顆粒的質(zhì)量；（）為顆粒的形狀函數(shù)；（）為沖擊角函 數(shù)； 為速度函數(shù)；為沖蝕面積。（）分別對閥芯與閥體依照表與表的函數(shù)值輸入；速度函數(shù)值設(shè)為常量，直徑函數(shù)設(shè)為×；湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果分析（）顆粒相分布。計算得到的時刻節(jié)流閥閥腔內(nèi)顆粒相分布如圖所示。，圖閥腔內(nèi)部顆粒相分布圖及速度矢量圖其中，為材料損失的重量，

3、為粒子的重量。在離散相顆粒在節(jié)流閥閥腔內(nèi)呈不對稱分布，靠近入口處的閥口顆粒分布較為稀疏，而遠(yuǎn)離入口的背端的閥腔顆粒分布相對密集，由于閥腔與閥口出過度區(qū)域呈直角，大量顆粒在背端閥口處堆積。出口閥腔的上端壁面上，顆粒分布較少，大量的顆粒分布在出口閥腔的下半部分，這是由閥芯與閥口的形狀決定的，顆粒沿著閥芯流出閥口后以低角直接沖擊出口閥腔下端壁面。（）相對磨損率。節(jié)流閥閥體與閥芯受到顆粒沖蝕的相對磨損分別如圖所示。（）（）沖擊角函數(shù)。沖擊角指粒子入射軌跡與靶材表面的夾角。對于不同的靶材（塑性材料與脆性材料），沖擊角與沖蝕率的關(guān)系可歸納為：；塑性材料；。（）速度函數(shù)。粒子的速度是影響材料沖蝕率的重要因素

4、，當(dāng)介質(zhì)的流速大于沖蝕臨界流速，粒子的沖擊速度與材料的沖蝕率的關(guān)系可歸納為。其中：材料的沖蝕率；粒子速度；和均為常數(shù)，取決于材料的性能，對于塑性材料隨著沖擊角的變化的值可取之間，對于金屬材料受到石英砂及粒子沖擊的工況下可取。（）形狀函數(shù)。在巖屑沖擊節(jié)流閥閥腔的算例中默認(rèn)巖屑形狀為球形，這里所討論的形狀函數(shù)主要考慮粒子尺寸與沖蝕率的關(guān)系。當(dāng)粒子的尺寸在之間時，磨損率與粒子尺寸成正相關(guān)；而當(dāng)粒子的大小增加到臨界值時，粒子的大小繼續(xù)增加，磨損率卻幾乎保持不變，這種現(xiàn)象稱為“尺寸效應(yīng)”。值隨靶材及沖蝕條件的不同而變化。節(jié)流閥的多相流模擬及磨損分析圖節(jié)流閥的相對磨損率閥體部分沖蝕磨損率最大的區(qū)域出現(xiàn)在出

5、口閥腔的下端壁面，相對磨損率最大值為×，結(jié)合圖顆粒相分布情況及流場速度矢量圖，大部分顆粒從閥口出流后以°°沖擊角方向沖擊閥腔下端壁面，速度最大值達(dá)到，沖擊角剛好處在塑性材料最大沖蝕率發(fā)生的區(qū)間，因此閥腔出口處下端區(qū)域受到顆粒的沖蝕最為嚴(yán)重。其次，閥芯的最大沖蝕率出現(xiàn)在閥芯背端，該部分受到局部的集中沖蝕，沖蝕率最大值為×，該部位剛好處在閥芯與閥口的交面上，顆粒的速度方向并不沿著閥芯錐面，而是于閥芯錐面有相對碰撞，造成了閥芯的局部沖蝕。閥腔出口部分采用錐面結(jié)構(gòu)，在相同開度的情況下，計算得到的閥體及閥芯的沖刷磨損情況如圖和所示。模型建立本文以×可調(diào)式

6、針形節(jié)流閥為例，入口與出口閥腔直徑分別為和，入口流速為，介質(zhì)成分天然氣和巖屑的氣固混合物。在中建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入選用離散相模型進(jìn)行模擬計算，固定壁面采用無滑移邊界條件，出口處設(shè)置為出流。壁面條件中，沖擊角函數(shù)采用分段線性函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于閥芯與閥體的材料不同，圖錐面結(jié)構(gòu)節(jié)流閥的相對磨損率閥腔壁面的相對磨損率最大值從原來的×降為×，下降了；而閥芯的最大（轉(zhuǎn)頁）學(xué)術(shù)研討年第期79 口資料較完善的井進(jìn)行地層對比，并采用將飛仙關(guān)頂部拉平的方法，編繪連井格架對比剖面一條：竹園坡高張月溪（圖），通過進(jìn)行橫向地層對比研究得出以下幾點認(rèn)識。（）研究區(qū)內(nèi)飛仙觀組地層齊全，與上伏嘉陵江組

7、地層、下伏長興組地層呈整合接觸，頂?shù)捉缑嫣卣魅珔^(qū)易于識別。（）從縱向分析認(rèn)為顆粒巖發(fā)育具層位性，鮞灘主要發(fā)育在飛一段上部、飛二段及飛三段中下部。飛一段下部沉積時水體較深，顆粒（鮞粒）巖僅在臺地邊緣局部的微地貌高地有少量發(fā)育；而飛四段沉積期，區(qū)內(nèi)演化為分布穩(wěn)定的潮坪環(huán)境，在區(qū)內(nèi)由一套紫紅、灰紫色泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)云巖與石膏互層組成，顆粒（鮞粒）巖不發(fā)育。（）橫向上鮞?；遥ㄔ疲r具有集中發(fā)育、側(cè)向遷移的特征，顆粒巖受古地貌高地控制，多分布臺地邊緣，在飛二、飛三期因為海平面升降變化顆粒巖不僅垂向加積生長，而且常常發(fā)生側(cè)向臺盆進(jìn)積作用，使灘體規(guī)模不斷變大。結(jié)論（）以旋回地層學(xué)的理論與方法為指導(dǎo)，對比

8、全盆地飛仙關(guān)組旋回性沉積特征，將飛仙關(guān)組分為飛一段、飛二段、飛三段及飛四段。區(qū)內(nèi)北東向飛仙關(guān)組地層厚度差異明顯，但全區(qū)各段均可橫向?qū)Ρ龋w粒（鮞粒）巖主要發(fā)育在飛一飛三段。（）臺地邊緣鮞粒灘是有利儲集相帶，鮞粒灘以斷續(xù)狀環(huán)帶沿臺地邊緣遷移，隨層位逐漸抬升，臺緣鮞灘具有向海槽方向遷移的趨勢，海槽相則逐漸縮小直至填平補齊，并在飛四時演化為均一的臺地潮坪環(huán)境。（）本研究區(qū)飛仙關(guān)沉積相繼承了長興組沉積格局，表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)西南高、北東底的沉積古地貌，工區(qū)北東部發(fā)育臺地邊緣相帶，向西南依次為臺緣斜坡及海槽等較深水沉積區(qū)。參考文獻(xiàn)圖竹園坡高張月溪地層對比圖圖研究區(qū)飛仙關(guān)組地層厚度圖中國地層典編委會中國地層典：三

9、疊系地質(zhì)出版社，馮增昭，等中國南方早中三疊世巖相古地理北京：石油工業(yè)出版社，魏國齊，陳更生，楊威，等川北下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組“槽臺”沉積體系及演化沉積學(xué)報，（）：鐘怡江，陳洪德，林良彪，等川東北地區(qū)長興期飛仙關(guān)期沉積體系分析石油物探，（）：喬占峰，李國蓉，等川東北地區(qū)飛仙關(guān)組層序地層特征及演化模式沉積學(xué)報，（）：地層展布特征研究認(rèn)為飛仙關(guān)地層厚度與長興組呈明顯的互補關(guān)系，此關(guān)系在橫向地層對比上可直觀地觀察到，結(jié)合區(qū)域沉積背景認(rèn)為，長興組為非補償沉積。地層在開江梁平海槽內(nèi)為幾十到一百多米左右，斜坡帶地層厚度在米左右，而臺地內(nèi)部地層厚度在米左右，而本研究區(qū)飛仙關(guān)沉積相繼承了長興組沉積格局，表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)西

10、南高、北東底的沉積古地貌，工區(qū)北東部發(fā)育臺地邊緣相帶，向西南依次為臺緣斜坡及海槽等較深水沉積區(qū)，在研究區(qū)西南部地層厚度較大，最后可達(dá)到多米厚度，平均厚度也在米以上，在研究區(qū)東北部地區(qū)地層厚度較薄，厚度范圍在米左右（圖）。作者簡介劉南（），西南石油大學(xué)在讀研究生。研究方向：沉積、儲層、地質(zhì)地球物理綜合解釋。（接頁）磨損率從×降到了×，下降了倍，并且比較兩種結(jié)構(gòu)節(jié)流閥流場的速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，錐面結(jié)構(gòu)的節(jié)流閥，介質(zhì)在閥口處的速度幾乎是沿著閥芯與閥壁方向，這說明顆粒對閥體材料產(chǎn)生的磨損更多的是接觸磨損，而不是沖蝕磨損，而相對顆粒高速撞擊壁面產(chǎn)生的沖蝕磨損，接觸磨損對材料的磨損程度要小的多。結(jié)論及建議（）氣、固兩相流的節(jié)流閥內(nèi)，遠(yuǎn)離入口處的閥腔背端的固體粒子通過率比靠近入口處的閥腔前端大，固體粒子容易在閥腔背端閥口區(qū)域沉積而對閥腔及閥芯后端部分產(chǎn)生比較大的磨損量。（）節(jié)流閥閥腔下端采用錐面結(jié)構(gòu)可以在一定程度上減少顆粒在閥腔內(nèi)堆積并且對粒子的流動能起到導(dǎo)向作用，避免顆粒直接沖刷閥芯及閥腔壁面造成的嚴(yán)重磨損。（）節(jié)流閥閥體受固體粒子沖蝕最嚴(yán)重的部位在閥腔出口通道的下端。這是由于粒子經(jīng)過閥口后，以高速、低角度沖擊壁面所造成的，應(yīng)著重對該區(qū)