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油氣田高壓三通管件沖蝕磨損研究

文檔作者：張繼信１樊建春２駱嘉寶１甘濟１卜朗１文檔來源： 1. 北京石油化工學院 2.中國石油大學（北京）		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年04月23日
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收稿日期：２０１６-０６-２２
基金項目：北京石油化工學院“ 科技創(chuàng)新資助項目”
（１５０３１８６２００５ ／０１４ ） ； 國家自然科學基金資助項目
（５１２７５５２８） ；十二五國家科技重大專項（２０１１ＺＸ０５０４８ ） ；北京
石油化工學院北京市大學生科學研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃［ＶＲＴ ］
資助項目（１６０３２０８２００１１１６３） 。
作者簡介：張繼信，男，博士，講師，研究方向為壓力容器、壓
力管道安全保障技術(shù)，Ｅ-ｍａｉｌ ：ｚｊｘ＠ ｂｉｐｔ ．ｅｄｕ ．ｃｎ 。
第２４ 卷　第４ 期
２０１６ 年１２ 月
北京石油化工學院學報
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ｐｅｔｒｏ-ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ．２４ 　Ｎｏ ．４
Ｄｅｃ ．２０１６ 油氣田高壓三通管件沖蝕磨損研究
張繼信１ ，樊建春２ ，駱嘉寶１ ，甘　濟１ ，卜　朗１
（１. 北京石油化工學院，安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京１０２６１７ ；
２. 中國石油大學（北京） ，機械與儲運工程學院，北京１０２２４９）
摘要：為準確掌握高壓三通管件在不同工況下管內(nèi)多相流的流動規(guī)律以及沖蝕磨損破壞情況，在高
壓管匯材料沖蝕磨損試驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算流體力學方法及ＦＬＵＮＴ 軟件建立了適合于水力壓裂工
況的液固兩相流數(shù)學模型及沖蝕計算模型，得到了在不同流動方式下，三通管件內(nèi)液相及固體粒子的流
動規(guī)律以及三通管件沖蝕磨損的分布規(guī)律，研究結(jié)果可以為油氣田高壓管匯的設(shè)計、制造、重點部位的
監(jiān)測等安全防護技術(shù)提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：三通管件； 壓裂液； 沖蝕磨損； 數(shù)值模擬
中圖分類號：ＴＧ１７２ 文獻標志碼：Ａ
　　油氣田生產(chǎn)作業(yè)時，三通管件是地面設(shè)備
中的主要輸送管件之一，也是高壓管匯的重要
組成部分。在油氣田水力壓裂施工中，由于三
通結(jié)構(gòu)的特殊性，三通管件與彎頭一樣也是容
易發(fā)生沖蝕磨損的高壓管件［１-４ ］ 。與彎頭相比，
三通管件的管內(nèi)流動方式更加復(fù)雜多樣，準確
預(yù)測不同流動方式下三通管件的沖蝕磨損分布
狀況并制定相應(yīng)的檢測與監(jiān)測措施，對保證高
壓管匯的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。當
前，國內(nèi)外相關(guān)人員針對彎頭沖蝕的研究較多，
對于壓裂工況下，高壓三通管件的沖蝕磨損研
究文獻較少［５-７ ］ 。在沖蝕磨損試驗基礎(chǔ)上，筆者
利用材料沖蝕磨損試驗以及計算流體力學方
法，研究水力壓裂工況下三通管件內(nèi)部多相流
速度變化規(guī)律及其對管件沖蝕磨損的影響，對
比研究不同工況下，三通管件的沖蝕磨損分布
狀況，以及主要影響參數(shù)對管件沖蝕的影響規(guī)
律，為高壓管匯優(yōu)化設(shè)計及使用過程中的安全
可靠性提供參考。
１ 　試驗部分
水力壓裂施工時，攜砂液中的高流速、高強
度、高硬度的支撐劑顆粒是地面高壓管匯設(shè)備
以及壓裂管柱沖蝕破壞的主要因素。對于高壓
管匯沖蝕磨損試驗裝置來說，全尺寸的沖蝕試
驗裝置有一定的優(yōu)勢，能最大程度模擬水力壓
裂施工時的實際工況，但是，在實驗室條件下，
對高壓管匯加載高流速、高壓力難以實現(xiàn)，危險
性較大，并且高壓管件加工工藝復(fù)雜，尺寸結(jié)構(gòu)
多樣，加工大量全尺寸試樣成本昂貴。因此，筆
者的研究方法是：（１）根據(jù)管匯材料的沖蝕磨損
試驗確定主要的沖蝕影響參數(shù)如沖蝕角函數(shù)、
流體速度影響函數(shù)等；（２）根據(jù)試驗結(jié)果建立沖
蝕計算模型；（３）根據(jù)沖蝕計算模型，結(jié)合流體
力學方法，利用ＣＦＤ 軟件模擬研究全尺寸三通
管件的沖蝕磨損特性。
１. １ 　試驗裝置
沖蝕磨損試驗裝置常見的試驗平臺有旋轉(zhuǎn)
型和噴射型裝置，筆者搭建的沖蝕磨損試驗平
臺為射流型沖蝕試驗機，主要包括ＰＬＣ 控制系
統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、射流系統(tǒng)、沖蝕室等。試樣的沖
蝕攻角可調(diào)節(jié)，沖蝕介質(zhì)的速度可通過調(diào)節(jié)變
頻器控制砂漿泵流量，或調(diào)整主管道和旁路的
調(diào)節(jié)閥以及改變噴嘴大小等方法來實現(xiàn)萬方數(shù)據(jù) 。

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