含砂水平弯管段塞流冲蚀实验研究

• 作 者: 樊茵
• 出 处: 中国石油大学(华东)
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 流动特性 水平弯管 段塞流 固体颗粒 冲蚀

随着油气资源开发工作的推进,油气田开发、油气管道输送过程面临的冲蚀磨损问题日趋严重。弯管由于其结构的特殊性,成为冲蚀的薄弱环节,但目前对于多相流条件下弯管的冲蚀研究有限,本文通过自行设计的管流式实验装置及可拆卸实验弯管,采用理论分析、实验研究等方法,通过流动状态观察、失重法、试样表面分析等手段,研究了段塞流动冲蚀特性及砂粒对弯管冲蚀行为,并结合理论对不同变量下弯管的冲蚀行为进行了对比分析。通过实验观察与数值模拟方法研究了含砂段塞流在直管与弯管段的流动特征,结果表明:大部分固体颗粒分布在液膜区,在直管段中,液膜区的砂粒主要集中在管道底部,部分附着在管壁;在弯管入口处,含砂液膜主要聚集在管底,随后液膜携带砂粒偏向弯管外侧并向管顶运动,最终覆盖整个弯管内壁,卷携砂粒的段塞体在弯管后部表现为倾斜的液波,对弯管外侧中部造成强烈冲击,这为弯管冲蚀行为提供了理论依据。采用多相流冲蚀实验环道进行了段塞流条件下水平弯管的冲蚀实验,量化了不同工况下弯管不同部位的冲蚀速率及变化趋势,确定了冲蚀最严重位置,研究了砂粒对弯管壁面冲蚀的微观机理。结果表明:弯管外侧冲蚀速率明显大于内侧,冲蚀最严重位置为距出口一倍管径截面外侧中部。弯管入口处试样表面形貌主要是砂粒以一定速度冲击壁面产生的划痕,弯管中部冲蚀形貌以大攻角撞击形成的坑点为主,弯管后部因砂粒微切削产生的减薄磨损较严重。结合气液固多相流动理论、冲蚀磨损等理论,通过对比分析不同流动特性时弯管的冲蚀行为得到:①流动变化不影响弯管冲蚀最严重位置,也不影响不同部位冲蚀速率变化趋势,气相流速增加对弯管的冲蚀破坏程度远大于液相流速;②随气液相流速的增加,弯管外侧冲蚀速率增大且增幅变大,最大冲蚀速率呈指数倍增加,不同试样表面冲蚀坑深、减薄量呈倍增加,弯管轴向45°截面内侧冲蚀速率随气液流速变化稍有减小;③气液相流速增加将极大加剧砂粒对弯管的冲蚀破坏程度。结合冲蚀预测理论、冲蚀磨损等理论对比研究了砂粒冲蚀行为,对比分析了颗粒粒径及含砂量对弯管冲蚀的影响,结果表明:①在不同砂粒粒径及含砂量条件下,水平弯管冲蚀最严重位置不变;②随颗粒粒径增加,不同部位冲蚀速率先减小后增大,试样表面减薄量减小后明显增大,划痕深度增加,冲蚀坑点数目减少,坑深显著增加;③弯管外侧冲蚀速率随含砂量的增加而增大,但增幅变小,冲蚀坑点个数先增加后变化趋缓。