探究水力空蝕物理清洗的清洗效果及數(shù)值模擬*

郭玉婷,郝惠娣,吳煜斌,鐘雨心

(1 西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西　西安　710069；2 西部金屬材料股份有限公司，陜西　西安　710069)

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探究水力空蝕物理清洗的清洗效果及數(shù)值模擬*

郭玉婷1,郝惠娣1,吳煜斌1,鐘雨心2

(1 西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710069；2 西部金屬材料股份有限公司，陜西西安710069)

介紹了空蝕清洗技術(shù)的原理及優(yōu)點，并對安塞油田超低滲坪42-291井組集油管采用空蝕物理清洗，詳細(xì)說明了施工過程和清洗結(jié)果。依據(jù)現(xiàn)有的理論依據(jù)與油田實際應(yīng)用情況對水力空蝕物理清洗設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，使用 CFX軟件對該清洗器進(jìn)行流場的模擬計算，其中，壓力和流速是影響空化情況的主要因素，故改變操作參數(shù)，對不同速度和不同壓力對空化效果的影響進(jìn)行探究。結(jié)果證實了速度越快，負(fù)壓區(qū)越強(qiáng)，范圍越大。進(jìn)口壓力越大，葉片縫隙流速越大，負(fù)壓也越高。對空穴射流清洗結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。

空蝕清洗；安塞油田；數(shù)值模擬

空蝕清洗技術(shù)利用了流體力學(xué)中的空穴效應(yīng)與氣蝕原理，從而對管道內(nèi)壁硬垢進(jìn)行清洗。當(dāng)液體涌入管道向前推進(jìn)時，水流的擾動與前后的壓力差產(chǎn)劇烈振動，急速旋轉(zhuǎn)的渦流形成了連續(xù)移動的低壓區(qū)，使得溶于液體中的氣體脫離出來，產(chǎn)生氣泡?？张菖鲎财屏押?，破裂點附近發(fā)生劇烈擾動，在極短的時間內(nèi)，局部流體會產(chǎn)生大幅度的激波和微射流，并產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，由于大量的空泡破裂產(chǎn)生的壓力重復(fù)作用會導(dǎo)致局部壁面疲勞失效和表面材料的分離和剝落[1]。

在各種不同的管道(輸水、輸油、輸氣等)中清洗技術(shù)中，空蝕清洗技術(shù)是最先進(jìn)、高效的物理技術(shù)。它可以將油垢、化學(xué)垢、水垢、銹垢、軟性垢、硬性垢、粘性垢等多種垢質(zhì)徹底清除[2]。

影響空化產(chǎn)生以及發(fā)展程度的兩個重要因素是壓力和流速，從而檢驗清洗器設(shè)計的合理性。姜艷威[2]在油田管道空穴射流清洗工藝數(shù)值模擬與實驗研究中選用不同的流場壓力進(jìn)行模擬，從而檢驗清洗器設(shè)計的合理性。孫紅鐿等[3]在空穴射流清洗技術(shù)應(yīng)用及流場數(shù)值模擬研究模擬了空穴射流場壓力的分布情況。本文也將研究對象設(shè)定為速度與壓力，探究設(shè)備內(nèi)部的空化程度。

1　安塞油田超低滲坪42-291井組集油管空蝕物理清洗施工情況

坪42-291井組位于坪橋鄉(xiāng),投運于2009年十月份，管線規(guī)格為Ф60 mm，全程長1.2 km，井組內(nèi)有油井8口，日產(chǎn)液量21.92方，綜合含水34.4%。管線投用后，因結(jié)蠟與結(jié)垢，開始頻繁出現(xiàn)管線堵死的現(xiàn)象，井組回壓冬季上升至2.5 MPa以上。掃線時發(fā)現(xiàn)管線內(nèi)壁結(jié)垢厚度1～2 mm，且有塊狀結(jié)垢物出現(xiàn)。

該井組管線從井場至坪三增壓點中途距坪42-291井組500 m左右位置安裝水套爐一具。管線經(jīng)多次掃線作業(yè)，管線上焊接口較多。

1.1清洗施工過程

(1)停抽坪42-291井場8口油井。

(2)對坪42-291井組集油管線排液泄壓，徹底吹掃干凈管線內(nèi)存有的油、氣。

(3)動火更改坪42-291井場外出口集油管線和坪三增壓點站外進(jìn)口集油管線，便于安裝清洗儀器。

(4)對井場至坪三增壓點中途距坪42-291井組500 m左右位置安裝水套爐進(jìn)行改造或者越過水套爐。

(5)在一端投放清洗儀器后，連接掃線車和水罐車；在另一端回收口連接清洗儀器回收裝置、排污管線和空罐車。

(6)啟動水泥車，開始清垢作業(yè)，壓力控制在管線承壓范圍以內(nèi)，萬一出現(xiàn)頑垢，需要提高壓力清除，壓力應(yīng)控制在管線允許的安全承壓范圍之內(nèi)。

(7)清洗儀器到達(dá)終點，清垢結(jié)束。

(8)清洗作業(yè)結(jié)束后，依原流程恢復(fù)管線連接，正常生產(chǎn)。

(9)集油管線恢復(fù)運行，清理施工現(xiàn)場，施工結(jié)束。

1.2施工質(zhì)量檢驗結(jié)果

安塞油田超低滲坪42-291井組集油管線水力空蝕物理清洗施工通球驗收：以已清管線段投φ48 mm球通過為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，檢驗通過。該管內(nèi)壁達(dá)到了無殘垢、回水流量明顯增加的效果，污垢在空蝕作用下被擊為粉末和小碎塊。同時該技術(shù)對設(shè)備無傷。 清洗前管道內(nèi)部有大量的垢瘤，清洗后后管道內(nèi)部可見金屬光澤、無垢。

2　數(shù)值模擬

2.1設(shè)計與計算

圖1　葉片結(jié)構(gòu)Fig.1　Blade structure

圖2　網(wǎng)格劃分Fig.2　Meshing

2.2進(jìn)口速度對水力空蝕物理清洗性能的影響

保持結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件不變，設(shè)計管徑為84 mm，葉片高度為50 mm，葉片上直徑為58 mm，傾斜角13°。改變進(jìn)口速度，對其進(jìn)行模擬。

圖3　清洗器模擬壓力云圖Fig.3　Simulated stress nephogram

圖4　不同速度的壓力曲線Fig.4　The pressure curve of different speed

工業(yè)上的空穴射流清洗器通過水流形成負(fù)壓，產(chǎn)生空化效應(yīng)，負(fù)壓越強(qiáng)，空化效果越好。對不同的進(jìn)口速度進(jìn)行模擬，模擬壓力云圖如圖3所示，可以看到流體在設(shè)備上的壓強(qiáng)變化，流體由下往上運動，遇到阻力時壓強(qiáng)急劇增大，穿過葉片縫隙時流徑縮小導(dǎo)致速度陡增，造成壓降的迅速降低，在葉片邊緣形成負(fù)壓區(qū)。

截取葉片上產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)的一段壓力值，得到如圖4所示的壓力曲線。可以看出，隨著進(jìn)口速度的增加，負(fù)壓產(chǎn)生越強(qiáng)烈，負(fù)壓區(qū)域越大，即空化效果越好。工業(yè)上出于成本的考慮，通常采用10～15 m/s作為進(jìn)口速度。

2.3進(jìn)口壓力對水力空蝕物理清洗性能的影響

依然保持結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件不變，將進(jìn)口條件由速度變?yōu)閴毫Γ隹趬毫? atm，對進(jìn)口壓力值為0.4 MPa和0.6 MPa 的情況分別進(jìn)行模擬。

通過改變進(jìn)口壓力，進(jìn)而改變設(shè)備前后的壓力差，觀察流體的壓降與速度變化情況，如圖5所示?？梢钥闯?，葉片處均形成負(fù)壓區(qū)，說明空化現(xiàn)象存在。對比看出，進(jìn)口壓力為0.4 MPa 時產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.6 MPa產(chǎn)生的負(fù)壓，即產(chǎn)生的空化效果更好。從液體流速矢量云圖上看，進(jìn)口壓力為0.6 MPa時流速較快，葉片縫隙處增量明顯，滿足伯努利定理。

圖5　管道側(cè)壁壓力云圖和速度云圖Fig.5　Pipe wall stress nephogram and speed chart

進(jìn)口壓力增大，導(dǎo)致流速加快，負(fù)壓越高，空化越明顯。在工業(yè)上，考慮成本等問題，通常采用1.5～2.0MPa的進(jìn)口壓力，可以達(dá)到較好的清洗效果。

3　結(jié)　論

(1)通過對安塞油田超低滲坪42-291井組集油管采用空蝕物理清洗，從清洗效果來看，證實了空蝕清洗技術(shù)的可操作性，并有清洗速度快，效果好，安全性高等優(yōu)點。

(2)使用 ANSYS中的CFX軟件對水力空蝕物理清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，改變進(jìn)口速度，觀察流場情況。結(jié)果證明速度越快，負(fù)壓區(qū)越強(qiáng)，空化效果越好。

(3)改變進(jìn)口壓力，分別為0.4 MPa，0.6 MPa進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口壓力越大，葉片縫間流速越大，負(fù)壓越高，更有利于空化形成。

[1]ASTM. Erosion by cavitation or impingement. Amer. Soc.for Testing and Materials,ASTM STP 408.1967.

[2]姜艷威. 油田管道空穴射流清洗工藝數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué), 2012:25-30.

[3]孫紅鐿, 姜艷威, 呂端劍. 空穴射流清洗技術(shù)應(yīng)用及流場數(shù)值模擬研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012,28(6):735-738.

[4]空化與空泡動力學(xué)[M]. 鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社, 2013:78-79,121-136.

Exploration on Physical Cleaning of the Hydraulic Cavitation Erosion Effects and the Numerical Simulation*

GUOYu-ting1，HAOHui-di1,WUYu-bin1,ZHONGYu-xin2

(1College of Chemical Engineering, Northwest University, Shaanxi Xi’an 710069;2 Western metal materials Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710069, China)

The principle of cavitation cleaning technology and advantages, and ultra-low permeability ping 42-291 well group in ansai oilfield set tubing by cavitation erosion physical cleaning were introduced, the construction process and cleaning results were discussed in details. Based on the existing theoretical basis and practical application in oilfields to simulate the hydraulic cavitation erosion physical cleaning equipment structure, the washer was provided using CFX software flow field simulation calculation, among them, the pressure and velocity were the main factors influencing the cavitation condition, therefore, change operating parameters, with different speed and different pressure to explore the influence of cavitation effect. The results confirmed that faster, stronger the negative pressure zone, range was larger. Greater the inlet pressure, greater the blade gap flow velocity, the greater the negative pressure was higher. The structure of a cavitation jet cleaning provided the basis for further development.

cavitation cleaning; ansai oil field; the numerical simulation

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目資助(2011K10-21)；陜西省教育廳專項基金(11JK0619)。

郭玉婷(1992-)，女，碩士研究生，化學(xué)工程專業(yè)。

TQ021.1， TE973

A

1001-9677(2016)08-0163-03