恒流堵塞器沖刷磨損特性的數(shù)值模擬

1、恒流堵塞器沖刷磨損特性的數(shù)值模擬         09-08-13 14:48:00     作者：趙學增劉長運陳芳    編輯：studa090420論文關鍵詞：分層注水恒流堵塞器顆粒沖刷磨損數(shù)值模擬論文摘要：針對油田注水工況下，恒流堵塞器易受固體懸浮顆粒沖刷磨損作用的問題進行了數(shù)值模擬。以商業(yè)CFD軟件Fluent 6.1為基礎，建立了恒流堵塞器流場三維幾何模型，對堵塞器內部流場進行了計算；采用Lagrangian離散相模型、Hai

2、der曳力公式和隨機軌道跟蹤方法求解了湍流中顆粒運動軌道；應用Bitter顆粒沖刷磨損模型對沖刷磨損失重進行了計算；對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果進行了對比，證明了數(shù)值模擬的有效性；對模擬結果數(shù)值上不夠精確的原因進行了分析，指出了在注水流量控制裝置流體磨損腐蝕分析中充分考慮電化學腐蝕和不銹鋼鈍化作用的必要性。 恒流堵塞器是一種用于油田分層注水系統(tǒng)的新型井下分層流量控制裝置，它通過機械結構的流量負反饋或壓力前饋作用對流量進行自動調節(jié)，具有結構簡單、體積小、成本低、使用方便、可靠性高等諸多優(yōu)點，加上可直接應用于原分層注水管柱，因此具有很好的推廣價值1,2。但油田注入水存在一定固體懸浮顆粒，

3、且恒流堵塞器閥口處的流速很高，因此不可避免地要發(fā)生沖刷磨損現(xiàn)象，進而對其流量調節(jié)精度造成不利影響。 目前對油田注水井井下流量控制裝置沖刷磨損情況的研究不多，對傳統(tǒng)的固定水嘴堵塞器，一般采用陶瓷或硬質合金水嘴提高其耐沖刷腐蝕性能，但水嘴刺損仍是堵塞器最常見的失效形式之一。對于恒流堵塞器，目前的研究一般限于其流量特性方面，現(xiàn)文獻中僅文1對恒流堵塞器現(xiàn)場試驗中的沖刷磨損問題有所提及。但Russell等人通過CFD方法對一種井下滑套的速度場進行了模擬，并采用全尺寸加速沖刷磨損試驗裝置對其沖刷磨損情況進行了分析，可為恒流堵塞器等油田注水井下流量控制裝置的沖刷磨損研究提供參考3,4。對顆粒沖刷磨損問題的試

4、驗研究存在成本高、周期長等問題，而采用CFD進行數(shù)值模擬可以較好地解決這一問題，因此受到人們的日益重視，在管道5、葉片6、泵、閥7等過流部件的沖刷磨損研究中都有所應用。1  Lagrangian離散相模型作為當前的主流商業(yè)CFD軟件之一，F(xiàn)luent提供了Lagrangian離散相模型、混合物模型、Euler模型等多相流模型。其中Lagrangian離散相模型在分散相體積分數(shù)小于10%的顆粒流計算中應用較多，此時，流體相被處理為連續(xù)相，通過一般的時均N-S方程進行計算；而離散相則是通過計算流場中大量的粒子的運動得到的，且粒子運動的計算是獨立的，它們被安排在流體相計算的指定間隙完成。1

5、.1 顆粒運動微分方程顆粒運動遵循牛頓第二運動定律，其微分方程為：  (1)式中，uP、u分別為顆粒相和流體相的速度，m為流體相的動力學粘度，CD為曳力系數(shù)， ReP為相對雷諾數(shù)，P、分別為顆粒相和流體相的密度，dP為顆粒直徑，g為重力加速度；F則主要包括附加質量力和升力，前者在顆粒密度大于流體相密度時的數(shù)值很小，而升力對細小顆粒的影響通常也可忽略，為簡化計算過程，本文不考慮這些力的影響。因此，顆粒在t時刻的位移可表示為： (2)1.2 湍流擴散作用針對湍流對顆粒存在的擴散作用，F(xiàn)luent 6.1提供了隨機軌道模型和顆粒群模型兩種模擬方法，其中隨機軌道模型可用于各向同性擴散為主的流

6、動，此時，式(1)、(2)中的流體速度應按下式進行計算：u=+u'                 (3)式中，流體相的時均速度，u'為其隨機脈動速度，F(xiàn)luent 6.1采用隨機游走模型來確定該脈動速度，對k-湍流模型，有：                 (4

7、)式中，k為湍動能，為服從正態(tài)分布的隨機數(shù)。隨機游走模型假定流體的脈動速度在流體渦的特征生存時間內保持為常量，同時應用了積分時間尺度的概念，對于具有良好跟隨特性的細小顆粒，顆粒的積分時間尺度簡化為流體的Lagrangian積分時間尺度TL，對k-e湍流模型，有：TL=0.15k/e               (5)式中，e為湍動能耗散率。1.3 壁面碰撞恢復系數(shù)運動顆粒和壁面碰撞過程中，存在能量損失和轉化，因而反彈速度低于入射速度。Southampton

8、大學的研究人員對AISI 4130鋼在固體顆粒沖擊時的速度變化進行了研究，結論如下7： (6)式中，a為顆粒沖擊角，eT、eN分別為恢復系數(shù)的切向和法向分量。Fluent 6.1中，上述擬合多項式形式的恢復系數(shù)可直接在壁面邊界中進行設置。2  沖刷磨損計算模型由于沖刷磨損破壞過程較為復雜，存在微切削、疲勞破壞、二次沖擊、磨損腐蝕交互作用等多種物理化學過程，到目前為止，人們仍未能全面揭示其內在機理?，F(xiàn)在常用的塑性材料沖刷磨損模型主要有Finnie的微切削理論、Bitter的變形磨損理論等。Finnie的微切削理論主要考慮顆粒對材料的切除作用，因此主要適用于塑性材料在多角形磨粒、低沖擊角

9、下的磨損分析，對于塑性不很典型的一般工程材料、脆性材料及非多角形磨粒、沖角較大的情況下往往存在較大誤差。而Bitter提出的沖刷磨損模型可以分為變形磨損和切削磨損兩部分，其中切削磨損部分采用了與Finnie相似的分析方法，其計算公式為：  (7)式中，mP為顆粒質量，c1、c2為與材料性質等有關的系數(shù)，uc為沖刷磨損臨界速度，a0為切削磨損模型的臨界角度，eC、eD分別為材料表面產生單位切削和變形失重時吸收的能量。變形磨損部分是由顆粒沖擊時產生的疲勞破壞造成的，存在亞表面層裂紋成核長大及屑片脫離母體的過程，計算公式為：     

10、60;    (8)總磨損量為：                (9)Bitter提出的沖刷磨損模型充分考慮了顆粒的微切削和沖擊疲勞兩種主要破壞作用，在沖刷磨損試驗機上和實際工程運用中得到了較好的驗證，合理地解釋了塑性材料的沖刷磨損現(xiàn)象，同時計算模型較為簡單，模型中的各參數(shù)比較明確且相對容易獲得，在一些實例中也得到了較為理想的計算結果。因此，本文通過用戶自定義函數(shù)(UDF)將Bitter沖刷磨損模型引入到Fluent

11、 6.1并用來計算恒流堵塞器的沖刷磨損量。3  計算過程及結果分析恒流堵塞器結構如圖1所示，不同流量恒流堵塞器對應的節(jié)流閥口直徑不同；而不同工作壓差下，閥芯位置不同，即減壓閥口開度不同。本文對額定流量為40 m3/d和90 m3/d的恒流堵塞器在工作壓差2.0 MPa和8.5 MPa時的沖刷磨損情況進行了模擬。 圖1  恒流堵塞器結構示意圖Fig.1 Structure of the constant flux blanking plug3.1網格劃分、邊界條件及參數(shù)設置額定流量qV為40 m3/d的恒流堵塞器的節(jié)流閥口直徑d為4.46 mm，對應工作壓差2.0

12、MPa和8.5 MPa時的減壓閥口開度Dx分別為0.49 mm和0.18 mm；額定流量qV為90 m3/d的恒流堵塞器的節(jié)流閥口直徑d為6.55 mm，對應工作壓差2.0 MPa和8.5 MPa時的減壓閥口開度Dx分別為1.20 mm和0.44 mm。取流場的1/2進行計算，網格為三維分區(qū)網格，在閥口處適當加密(圖2) 。圖2  流量40 m3/d、閥口開度0.49 mm時的計算網格Fig.2 Mesh, flow rate=40m3/d, opening=0.49 mm邊界條件包括入口壓力、出口壓力、壁面顆粒反彈、沖刷磨損等參數(shù)，較為重要的參數(shù)及選項設置情況見表1，其中一些數(shù)據(jù)參

13、考了文獻7,9-11及大慶等油田的相關測試資料。 表1 重要參數(shù)及選項Table 1  Important parameters and options參數(shù)(選項)值(內容)參數(shù)(選項)值(內容)pAMPa3.0, 9.5pCMPa1.0c16.4×1012c22.46×10-3ucms-10.16a026.2eCJ2.2×1010eDJ4.7×1010kgm-31.0×103mPas1.0×10-3 Pkgm-32.6×103gms-29.8dPm120Diameter DistributionRosi

14、n-RammlerShape Factor0.6Particle ConcentrationmgL-14.5CDHaiders Nonspherical Drag LawTurbulence ModelRNG k-Near-Wall TreatmentNon-EquilibriumPressure-Velocity CouplingSIMPLEC3.2 計算結果四種情況下恒流堵塞器流道內的水流速度如圖3所示?？梢姕p壓閥口處為流速最大的部位，工作壓差8.5 MPa時最大流速已可達約110 m/s，導致相應顆粒沖擊壁面的速度也較高，因此沖刷磨損量也將急劇增大。減壓閥口處的沖刷磨損率分布情況如圖4所

15、示，可見該處的磨損率還是比較大的，且工作壓差較大時磨損尤為嚴重。這說明文獻4,5中通過流速大小分析油田注水流量控制裝置沖刷磨損特性的方法具有一定意義。     09-08-13 14:48:00     作者：趙學增劉長運陳芳    編輯：studa090420對于定差減壓-節(jié)流式恒流堵塞器，影響其額定流量的主要是節(jié)流閥口的直徑和流量系數(shù)，理論分析表明，節(jié)流閥口磨損后，恒流堵塞器的流量將顯著增大；而減壓閥口磨損后，恒流堵塞器本身的調節(jié)特性使得相同工作壓差下閥芯產生相應微小位移

16、補償了閥口磨損量，因此流量變化較小。圖5給出了節(jié)流閥口和減壓閥口磨損對流量影響的計算機仿真結果，恒流堵塞器的地面流量特性試驗也得到了相近的結論。沖刷磨損模擬計算中，減壓閥口和節(jié)流閥口的最大沖刷磨損量如表2所示，可見節(jié)流閥口磨損量同減壓閥口沖刷磨損量相比很小，這對恒流堵塞器的使用壽命是有利的。 圖3  速度云圖Fig. 3  Velocity cloud map圖4  沖刷磨損量云圖Fig. 4  Particle erosion rate cloud map圖5  閥口磨損對流量的影響Fig. 5  Influence of the

17、valve ports wear on the flow rate表2 閥口計算沖刷磨損率Table 2  Calculated erosion rates of the valve ports額定流量m3·d-1工作壓差MPa最大沖刷磨損率kg·m-2·s-1減壓閥口節(jié)流閥口4028.2×10-91.7×10-98.52.5×10-78.0×10-109023.7×10-82.9×10-98.51.1×10-72.0×10-93.3 現(xiàn)場試驗情況及分析在大慶等油田進行的現(xiàn)場

18、試驗中，經過近10個月的井下應用，各恒流堵塞器都出現(xiàn)了一定的磨損，經觀察，主要磨損部位均出現(xiàn)在減壓閥口處，而節(jié)流閥口處的磨損現(xiàn)象不明顯，實際磨損率同數(shù)值計算結果也在一定程度上相吻合；另外，郭英偉等1對KHPX-20型恒流堵塞器的井下應用情況作了一些更長周期的監(jiān)測，18個月后減壓閥口的最大磨損量為1 mm左右，與本文的計算結果也基本相符。但是，一方面實際磨損率相對預測結果普遍偏大，另一方面相近流量和工作壓差下不同井層恒流堵塞器的磨損率存在較大差別。產生這一結果的主要原因在于： 各注水井層的水質等環(huán)境因素差別較大，水中雜質含量也存在較嚴重的超標現(xiàn)象。據(jù)2003年12月大慶油田完成的注水質量調查報告

19、，該油田深度水處理站水質達標率僅為21.4%，部分超標井固體懸浮顆粒含量高達幾十甚至幾百mg/L，粒徑超標現(xiàn)象也較普遍。 注入水中含有腐蝕性的成分如硫離子、氯離子、溶解氧等，金屬材料在井下的沖刷磨損、電化學腐蝕過程相互影響和促進，加劇了流體磨損腐蝕程度。 即使單純考慮沖刷磨損機械作用，由于湍流模型、兩相流耦合模型、壁面作用模型、沖刷磨損模型等都存在一定近似性和經驗性，加上一些邊界條件和參數(shù)的不確定性，要想完全真實地反映實際磨損情況也是比較困難的。4  結論(1) 采用CFD方法可以在一定程度上對恒流堵塞器的沖刷磨損情況進行模擬，便于分析易沖刷磨損部位和沖刷磨損程度，模擬結果具有一定可信性，是一種成本低、耗時少、應用方便的方法，可在一定程度上代替現(xiàn)場和模擬試驗，但要求計算模型和參數(shù)設置應盡量符合實際情況。(