3000型压裂车高压管汇疲劳强度仿真研究.pdf

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3000型压裂车高压管汇疲劳强度仿真研究
The fatigue strength simulation and research o
3000HP fracturing truck's hlgh-pressure manifold
吴星
WU Xing
(柳州职业技术学院机电工程系,柳州545006)
摘要:高压管汇是油田酸化压裂作M中必不可少的设备,随着压裂作业深度的不断增大,營汇承受越
来越高的压裂压力,其强度直接影响着压裂作业中安全题。为了验证霅头冲蚀疲劳破坏是
3000型压裂车作业用高压管汇失效的主要原因,以真实参数在三维建模件Pro/E中创建管汇
分析模型,通过计算流体动力学软件CFD对压裂作业过程高压管汇中弯头处的流场进行了仿真
分析,利用流固耦合完成了管结构的疲劳强度计算,并提出了预防冲蚀疲劳破坏的措施和建
议,仿真计算结果与实际失效案例进行了对比,结果表明,管弯头是高氏管汇最易发生冲蚀
和疲劳破坏的地方,且弯头外侧内壁面处为最大危险区。
关键词:压裂作业;高压管汇;冲蚀疲劳失效;CFD
中图分类号:TB24
文标识码:B
文章编号:1009-0134(2015)07(下)-0144-03
Doi:10.3968/.ISsn.1009-0134.2015.07(下).45
0引言
冲刷及磨损腐蚀破坏主要位于弯头外拱内层和靠近弯头
石油作为工业发展的“血液”,对国家的经济发
的直管端部及变径段。受到破坏的弯头外供内壁附近表
展有着十分重要的作用。目前我国许多陆上油田的开发面呈现出沟洼状、条纹以及麻坑,且旱现出一定的方向
已进入到中后期,并且在已探明的油气藏中低滲油气资
性,冲刷腐蚀形成的坑点处较其他部位颜色光亮。从
源占有很大的比重,酸化压裂作业作为油田增产的主要
其剖切面可以看出,外供内側壁厚有明显减薄。
方式,对提高后期生产井及低渗透油气田的产量有非常1.2冲蚀疲劳机理
重大的意义?。然而,随着非常规油气开采进程的加大
高压管汇弯头受到的破坏是由于冲蚀疲劳引起的,
和作业深度的増加,压裂作业中工作述力也不断的增冲蚀对管汇弯头表面的破坏主要是机械力产生的,其次
大,比如3000型压裂车的压裂作业输出压力最高可达到是腐蚀因素。高速压裂液中携带的支撑剂(陶粒砂),
140MPa,这就在客观上要求压裂技术装备有更高的安
具有较大的动能且其硬度大于被冲蚀的管汇的硬度。当固
全性、可靠性和耐久性。高压管汇作为压裂作业中的核
体粒子撞击弯头表面时,会造成短屣的微切削和塑性变形
心部件,其穹头部位为较薄弱环节,在工作过程中可能
的坑,在若干粒子的长时间冲击下就会形成磨损,
会承受上百兆帕的压力、高速运动固相粒子的冲刷、流
流速很高时,甚至水滴等软粒子也会造成冲蚀,加之较
体腐蚀、压力波动以及迁回管汇转折引起的拉压应力作
用,加剧弯头、变径区域和连接部位的应力集中程度
高压力和反复应力作用甚至会使得管汇容易产生疲劳断
在较高的冲击压力和反复的交变载荷作用下,诱发疲劳
裂。压裂液中固体颗粒在管弯头处的运动状态示意图如
裂纹或应力腐蚀裂纹,一日扩展到外表面即引发高压管
图1所示。
江汇件的刺穿和破裂,使管内高压流体外泄,对现场作业
人员和设备构成严重威胁。为此,本文利用计算流
体动力学软件CFX对压裂作业高压管汇弯头处流场进行
仿真分析,揭示了其冲蚀失效机理并提出相关降低风
陶粒秒、
险的措施
高压管汇弯头
1冲蚀疲劳现象及其机理
液
流
流
1.1冲蚀疲劳破坏现象
向
从油田已失效破环的压裂作业高压管汇可以看出,
图1管弯头处压裂液运动状态示意图
稿日期:2015-04~26
作者简介:吴星(1980-),女,广西柳州人,讲师,硕士,主要从事机电一体化研究。
144】第37巻第7期2015-07(下)
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1.3固体颗粒冲蚀的预测及疲劳寿命分析
式中,0s为高压管汇材料屈服极限
1.3.1冲蚀的预测
0b为高压管汇材料强度极限。
目前颗粒冲蚀过程的三个阶段已经有了比较成熟的2高压管汇弯头处流场模拟分析
模型。对初始阶段的流体携带颗粒流动冲击管道过程进
行建模,可以推导出流体施加在颗粒上的牵引力,对预
2.1建立管弯头三维实体模型
测大量颗粒的轨迹起着重要作用。一般使用经验公式或者
以国内某知名石油机械厂3000型压裂车用某段管
失效模型来评估单独颗粒冲击管壁时造成的损伤,从而推
穹头作为研究对像,以实际尺寸参数在三维造型软件
广至大量固体颗粒造成的冲蚀深度和分布情况的分析
PRO-E中建立分析对象的三维实体模型。油田现场压裂
对于管汇受到颗粒冲蚀的问题,已经有很多种预测作业用高压管江弯头尺す及性能参数如表1所示,仿真
方法包括预测颗粒运动轨迹的方法。常用计算流体动力
管弯头实体及三维模型如图3和图4所示。
学软件CFD对流体的流动进行建模,通过追踪颗粒运动
表1高压管汇弯头尺寸及性能参数
的轨迹,在复杂结构表面预测冲蚀分布表现出了很好的材料壁厚m外径治松比性模量服强度
效果。CFD模型所采用了 Huser和 Kvernvold提出的理论
30crmo 64
10
0.27
206
785
公式?:
E=MPKVPF(a)
其中,E为冲蚀率
V,为颗粒的冲蚀速率;
m为冲击颗粒的质量
K,n为常数
Q为颗粒冲蚀管壁的角度
F()为颗粒冲击角函数,[O,1l
图3高压管汇弯头实物
图4三维模型
c与F(0)之间的函数关系如图2所示。
通过ProE与 ANSYS Workbench的无缝接口,将模
型导入到 Fluid Dynamics环境下的CFD模块中,建立管
弯头内高速流体携带颗粒的流域模型?,在 ICEM CFD
村料
中进行流域网格划分,如图5所示。
设置流域边界条件,入口压力86MP,出口流速
性村料
4.38m/s,无滑移壁面设置。
10°30°0°40
图2a与F(a)之间的函数关系
1.3.2疲劳寿命分析
计算曲线法由于在很多疲劳寿命分析计算方法中,工
作量小且对设备的要求较低,因此得到了广泛的使用。
图5 ICEM CFDI中流域网格划分情况
式中,a为应力幅值
2.2CFD仿真分析结果
OR为疲劳极限
2.2.1流速场模拟结果
为管汇断面收缩率
从流速场分析结果的中心对称截面如图6所示,可
E、N为分别为弹性模量和载荷循环次数。
以看出在高压管汇弯头内弧面处都出现了漫流区,在
由于压裂管汇的疲劳属于高周疲劳情况,由于存此区域里流体的速度发生了改变,流速达到最大值为
在平均应力的影响,需要对进行修正,其修正关系5.1ms,外拱面和内弧面处的流速都大于主射流区的速
式为:
度。虽然流速场模拟中显示最大流速出现在内弧面,由
于压裂液中存在固体支撑剂(陶粒砂),在压裂液的高
速带动下,其主要与