發(fā)布時(shí)間：2017-04-26 01:10

  本文關(guān)鍵詞：高壓流體控制元件的沖蝕分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近幾年來,隨著石油儲(chǔ)備資源越來越少,開采難度不斷增加。在壓裂過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)彎頭等管件因沖蝕破壞而產(chǎn)生的刺裂、爆裂等質(zhì)量問題。究其原因主要是產(chǎn)品的強(qiáng)度和沖擊韌性不足。所以本文針對目前高壓流體元件在使用中所存在的問題,對具有代表性的活動(dòng)彎頭進(jìn)行了沖蝕分析及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文總結(jié)了目前比較有說服力的幾種沖蝕磨損理論,并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。結(jié)合壓裂管匯的實(shí)際工況,確立了受液固兩相流沖蝕的活動(dòng)彎頭的沖蝕磨損機(jī)制。歸納了影響活動(dòng)彎頭沖蝕率的主要因素,可分為四個(gè)方面：(1)顆粒性質(zhì)：包括粒子的密度、形狀因子、大小、破碎性等；(2)靶材因素：包括材料的成分、力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)等；(3)流體因素：包括流速、顆粒質(zhì)量流量、粘度等；(4)環(huán)境因素：包括溫度、壓力及介質(zhì)的性質(zhì)等。并詳細(xì)介紹了各因素對沖蝕磨損的影響規(guī)律。本文根據(jù)高壓活動(dòng)彎頭受沖蝕作用的特點(diǎn),建立了液固兩相流的CFD數(shù)學(xué)模型。包括基本控制方程、湍流模型、離散相模型和沖蝕計(jì)算模型。基本控制方程主要包括三個(gè)守恒方程,即質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程；FLUENT軟件中的比較常用的湍流模型主要有兩大類：k-s模型和k-ω模型。根據(jù)各湍流模型的特點(diǎn)及適用范圍,本文所研究的高壓活動(dòng)彎頭的沖蝕分析是液固兩相流,屬于湍流流場,所以主要采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,并進(jìn)行相關(guān)處理。本文對活動(dòng)彎頭的沖蝕分析屬于含少量顆粒的湍流流動(dòng),所以采用離散相模型。離散相模型可以直接對顆粒進(jìn)行跟蹤,可以分析出粒子間的受力狀況,以及離散相與連續(xù)相之間的相互作用。本文沖蝕模型采用FLUENT軟件中提供的沖蝕模型。該理論認(rèn)為沖蝕率的大小與材料、顆粒的質(zhì)量流量、沖擊角度及沖擊速度相關(guān)。本文通過數(shù)值模擬的方法,分析了壓裂液對活動(dòng)彎頭的沖蝕作用,以及各種因素對彎頭沖蝕規(guī)律的影響。分別從彎頭角度、流速、顆粒的質(zhì)量流量、沖蝕角度、顆粒直徑、顆粒密度、彎徑比、液體粘度以及顆粒形狀因子等方面進(jìn)行了分析。得出以下結(jié)論：彎頭的外弧內(nèi)壁是受沖蝕作用最嚴(yán)重的區(qū)域；隨著彎頭角度的逐漸增大,最大沖蝕率逐漸減小,沖蝕面積往出口方向發(fā)展；在流速一定時(shí),最大沖蝕率位于彎管65°～75°附近,與已有文獻(xiàn)結(jié)論一致；彎頭的最大沖蝕率隨著流速的增加呈指數(shù)增加,符合關(guān)系式ε=K·v”；彎頭的最大沖蝕率隨著粒徑、顆粒密度的增加而增大,隨著彎徑比、液體粘度的增加而減小；顆粒形狀因子對沖蝕率也有影響,形狀因子越小,即顆粒越尖銳,沖蝕率越大。本文根據(jù)沖蝕分析的結(jié)果和活動(dòng)彎頭在使用中出現(xiàn)的破壞形式對彎頭的壁厚和滾道部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。(1)對壁厚的改進(jìn)：將GB 50253-2003輸油管道與ASME B31.1-2004壓力管道彎頭的壁厚設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對比,根據(jù)環(huán)向應(yīng)力分布圖可知,ASME B31.1-2004的設(shè)計(jì)公式比較合理。最終將管體壁厚由等徑截面改為不等徑截面,在滿足內(nèi)壁受力的條件下,適當(dāng)?shù)卦黾油獗诤?從而增加彎頭部分的使用壽命；(2)對滾道部位結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)：在常規(guī)等徑直面滾道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu),即改進(jìn)的兩臺(tái)階不等徑滾道結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的兩臺(tái)階等徑滾道結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的三臺(tái)階不等徑滾道結(jié)構(gòu),并通過ANSYS軟件對這四種不同結(jié)構(gòu)的彎頭進(jìn)行了應(yīng)力分析,對比分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)的三臺(tái)階不等徑滾道結(jié)構(gòu)受力情況最好,改善了連接部分的受力狀態(tài),最大應(yīng)力與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比減小了33%,從而提高了活動(dòng)彎頭的強(qiáng)度。本文通過CFD數(shù)值模擬,分析了活動(dòng)彎頭在不同壓裂工況下的沖蝕磨損機(jī)理,研究結(jié)果對于豐富沖蝕磨損機(jī)理、理解材料沖蝕規(guī)律、改善管匯的安全運(yùn)行狀況,提高設(shè)備的安全可靠性、指導(dǎo)壓裂過程等具有巨大的理論意義和工程意義。另外,根據(jù)對高壓流體控制元件沖蝕分析,進(jìn)而對活動(dòng)彎頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn),改善了受力狀況,大幅提高了活動(dòng)彎頭的強(qiáng)度,從而延長了其使用壽命。
【關(guān)鍵詞】：活動(dòng)彎頭 沖蝕分析 影響因素 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE937
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外沖蝕磨損研究現(xiàn)狀11-17
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容17-18
• 第2章 沖蝕磨損概述18-27
• 2.1 沖蝕磨損理論18-22
• 2.2 影響沖蝕磨損的因素22-25
• 2.3 本章小結(jié)25-27
• 第3章 液固兩相流CFD數(shù)學(xué)模型27-35
• 3.1 基本控制方程27-28
• 3.2 湍流模型28-30
• 3.3 離散相模型30-33
• 3.4 沖蝕計(jì)算模型33-34
• 3.5 本章小結(jié)34-35
• 第4章 管道內(nèi)液固兩相流的沖蝕分析35-62
• 4.1 高壓活動(dòng)彎頭的沖蝕分析35-44
• 4.2 不同角度彎頭的沖蝕分析44-46
• 4.3 各因素對沖蝕率的影響46-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 第5章 活動(dòng)彎頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)62-85
• 5.1 彎頭部位結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)62-69
• 5.2 彈道部位結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)69-84
• 5.3 本章小結(jié)84-85
• 第6章 總結(jié)與展望85-88
• 6.1 本文完成的主要工作85-86
• 6.2 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)86
• 6.3 不足與展望86-88
• 致謝88-89
• 參考文獻(xiàn)89-93
• 個(gè)人簡介93-94

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本文編號(hào)：327441