稠油熱采四通管沖蝕特性影響因素?cái)?shù)值模擬研究

朱麗云，王森，王國(guó)濤，石佳瑞，王振波，劉岑凡

稠油熱采四通管沖蝕特性影響因素?cái)?shù)值模擬研究

朱麗云1，王森1，王國(guó)濤2，石佳瑞1，王振波1，劉岑凡3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580；2.青島港（集團(tuán)）有限公司， 山東 青島 266011；3.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 特種設(shè)備安全與節(jié)能?chē)?guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

對(duì)稠油熱采過(guò)程中的四通管進(jìn)行氣固兩相流沖蝕研究，基于不同影響因素分析其沖蝕變化規(guī)律，并構(gòu)建四通管最大沖蝕速率的預(yù)測(cè)模型。基于氣固兩相流理論，構(gòu)建CFD-DPM-EPM數(shù)值模型，研究不同流速、顆粒質(zhì)量流量以及顆粒粒徑對(duì)四通管沖蝕的影響，預(yù)測(cè)四通管最大沖蝕速率發(fā)生位置及數(shù)值大小，并建立了關(guān)聯(lián)流速、顆粒質(zhì)量流量和顆粒粒徑的四通管沖蝕速率數(shù)學(xué)模型。在四通管的肩部位置即豎直管與水平管交匯處和豎直管的封閉端頂部?jī)商幋嬖跊_蝕，沖蝕模擬結(jié)果與實(shí)際失效四通管相吻合。隨著四通管入口流速的增加，其最大沖蝕速率呈指數(shù)形式增長(zhǎng)；隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，其最大沖蝕速率近似呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；隨著四通管內(nèi)顆粒粒徑增大，其最大沖蝕速率先減小后增大，存在沖蝕速率最小的臨界粒徑。構(gòu)建的四通管沖蝕數(shù)學(xué)模型擬合值同模擬值對(duì)比，吻合度很高。四通管出口段肩部位置沖蝕速率高于封閉端頂部位置，肩部為沖蝕磨損高危區(qū)。因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注肩部的沖蝕磨損程度并及時(shí)進(jìn)行防護(hù)處理，通過(guò)局部加厚或添加擾流內(nèi)構(gòu)件來(lái)減輕肩部沖蝕；同時(shí)要適當(dāng)降低流速并盡可能減少顆粒夾帶，以增加四通管使用壽命。

稠油熱采；四通管；沖蝕磨損；氣固兩相流；數(shù)值模擬

近年來(lái)，在稠油開(kāi)采過(guò)程中，熱采技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛[1-3]。在稠油熱采過(guò)程的注汽階段，管內(nèi)氣體攜砂高速流動(dòng)，對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生一定沖擊，其中對(duì)于四通管內(nèi)壁的沖擊尤為明顯，在連續(xù)工作一段時(shí)間后往往會(huì)引起四通管內(nèi)壁損傷甚至穿孔，很大程度上縮短了四通管道的服役時(shí)間。四通管以其操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)在熱采過(guò)程中得到廣泛使用[4]，而氣體攜砂流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致四通管失效泄漏，嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程，威脅生產(chǎn)人員安全[5-6]。然而，目前對(duì)稠油開(kāi)采過(guò)程中四通管道沖蝕失效問(wèn)題的研究較少，缺乏不同參數(shù)對(duì)于四通管沖蝕失效的影響研究，許多結(jié)論往往來(lái)源于工程實(shí)際，對(duì)四通管的沖蝕失效機(jī)理還缺乏相關(guān)的研究和分析。

針對(duì)沖蝕磨損問(wèn)題各國(guó)學(xué)者已開(kāi)展了大量的研究工作，Sedrez等[7]通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)彎管進(jìn)行了研究，分析了不同流動(dòng)狀態(tài)下彎管的沖蝕變化情況。易先中等[8]采用DPM模型并引入重復(fù)性分析法，研究了不同參數(shù)對(duì)壓裂彎管的沖蝕影響規(guī)律。Ko-sinska等[9]采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，著重研究了顆粒粒徑對(duì)彎管的沖蝕影響規(guī)律。Farok-hipour等[10]考慮了粒子轉(zhuǎn)動(dòng)與粒子間的作用力，通過(guò)CFD-DEM的方法研究了在不同幾何結(jié)構(gòu)下不同流速顆粒的流動(dòng)情況。王彥驊等[11]利用數(shù)值仿真的方法，研究了氣液兩相流攜帶顆粒的情況下對(duì)π型管磨損的影響情況。曹學(xué)文等[12]通過(guò)模擬方法，分析了不同參數(shù)下彎管的失效損傷情況?？梢钥吹?，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于沖蝕磨損的研究多是對(duì)于彎管的研究[13-15]，對(duì)于其他復(fù)雜管道的沖蝕研究較少，而對(duì)于稠油開(kāi)采過(guò)程中常用的四通管的研究更為欠缺。作為稠油開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵管道，四通管沖蝕失效會(huì)影響到稠油開(kāi)采過(guò)程的連續(xù)性，甚至造成高溫蒸汽泄漏，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此對(duì)四通管沖蝕規(guī)律的研究顯得尤為重要。

本文以稠油開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生真實(shí)失效的四通管為研究對(duì)象，基于氣固兩相流理論，研究了不同流速、質(zhì)量流量以及顆粒粒徑對(duì)四通管沖蝕特性的影響，建立了關(guān)聯(lián)流速、質(zhì)量流量和顆粒粒徑的可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)四通管沖蝕特性的數(shù)學(xué)模型，以期對(duì)四通管在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)沖蝕磨損的位置以及沖蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，為四通管的防護(hù)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 控制方程

連續(xù)相控制方程如式（1）—（2）所示[16]。

式中：g表示氣相密度，kg/m3；g表示流速，m/s；表示壓力，Pa；表示氣體動(dòng)力黏度，N·s/m2；gg表示重力項(xiàng)，N；F表示粒子作用于連續(xù)相的附加源項(xiàng)。

1.2 湍流模型

式中：G表示平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；b表示浮力引起的湍流動(dòng)能；M表示可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹對(duì)總體耗散率的作用；表示湍動(dòng)能，；表示湍流耗散率，m2/s3。

1.3 顆粒軌跡模型

砂礫為離散相，采用DPM方法模擬，離散相的運(yùn)動(dòng)方程為[18]：

式中：s表示顆粒速度，m/s；g表示流動(dòng)速度，m/s；s表示顆粒粒徑，m；s表示顆粒密度，kg/m3；g表示流體密度，kg/m3；(s?g)/s表示單位質(zhì)量顆粒受到的曳力，N；s表示顆粒受到的其他作用力；s表示相對(duì)雷諾數(shù)；D表示曳力系數(shù)。

1.4 沖蝕磨損模型

四通管沖蝕速率定義為單位時(shí)間內(nèi)顆粒對(duì)四通管內(nèi)壁面造成的質(zhì)量減薄量。本文使用王國(guó)濤等[19]在Ahlert半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚20]基礎(chǔ)上通過(guò)沖蝕實(shí)驗(yàn)得到的沖蝕速率預(yù)測(cè)模型：

式中：為沖蝕速率，kg/(m2·s)；為模型常數(shù)，2.67×10?7；s為顆粒形狀系數(shù)；為速度指數(shù)，1.74；()為沖擊角度函數(shù)，表達(dá)式見(jiàn)（7）。

1.5 幾何模型及參數(shù)

以實(shí)際工程應(yīng)用四通管建立模型，四通管尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示（所標(biāo)注尺寸為流體在四通管內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域，除入口和出口外的兩端為封閉端）。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格的劃分尤為重要，為保證計(jì)算效率和精度，網(wǎng)格劃分在ICEM中完成，網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，并對(duì)邊界層網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格如圖2所示。

圖1四通管幾何結(jié)構(gòu)圖

圖2 四通管網(wǎng)格劃分模型

1.6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

由計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)可知，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量會(huì)對(duì)流體域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)（如流速、壓力等）產(chǎn)生一定影響[21]。而流速的變化會(huì)導(dǎo)致流體對(duì)于顆粒的攜帶效果發(fā)生變化，進(jìn)而改變顆粒動(dòng)能，最終影響管壁沖蝕速率的大小。因此在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，選用四通管的最大沖蝕速率作為判斷依據(jù)。如圖3所示，分別選用6種不同網(wǎng)格數(shù)的計(jì)算模型進(jìn)行沖蝕模擬。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較小時(shí)，管壁最大沖蝕速率隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加；而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到30萬(wàn)后，隨著網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)增加，最大沖蝕率幾乎不再變化。因此，為了綜合考慮計(jì)算精度以及計(jì)算成本，采用303 584的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行后續(xù)研究。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)最大沖蝕速率的影響

2 四通管沖蝕機(jī)理分析

以實(shí)際稠油熱采過(guò)程中注汽階段的實(shí)際操作參數(shù)為依據(jù)[4]，氣速為10 m/s，真實(shí)砂粒密度為2 000 kg/m3，質(zhì)量流量取0.3 kg/(m2·s)，砂粒粒徑取0.1 mm，顆粒球形度取0.8。四通管實(shí)際失效位置與模擬位置對(duì)比如圖4所示，從沖蝕云圖可以看到，四通管出口段肩部和封閉端頂部位置兩處存在沖蝕缺陷[19]，其中四通管肩部位置沖蝕最為嚴(yán)重，這與真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中四通管的失效位置相吻合。

首先通過(guò)分析四通管的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)來(lái)探究四通管的流場(chǎng)分布[22]。圖5為四通管的中心截面速度分布。圖6為四通管的中心截面壓力分布。由圖5可以看出，不同流速下四通管內(nèi)各位置的速度分布基本保持不變。在四通管入口一側(cè)，管道內(nèi)不同位置流速基本保持相同；然而在經(jīng)過(guò)四通管肩部時(shí)，由于流體流向發(fā)生改變，由豎直流入轉(zhuǎn)為水平流出，使得肩部的速度變化顯著，在入口管和出口管交匯的彎頭處流速達(dá)到最大。隨后高速流體逐漸往水平出口管的頂部轉(zhuǎn)移，造成出口管的徑向速度分布不均，且流速越大，出口管的徑向速度梯度越大。由圖6可以看出，不同流速下四通管內(nèi)各位置的壓力分布基本一致。在入口端附近時(shí)，壓力分布較為均勻；而在四通管肩部壓力達(dá)到最小值，隨后流體從水平出口管流出，壓力逐漸趨于穩(wěn)定。隨著流速的增加，進(jìn)出口壓降也隨之變大。此外，在四通管的兩封閉端，流體的速度存在最小值，壓力存在最大值。

進(jìn)一步分析顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)探明顆粒對(duì)四通管內(nèi)壁碰撞造成的沖蝕磨損情況[23]。顆粒沖蝕軌跡見(jiàn)圖7，沖蝕顆粒分布見(jiàn)圖8。由圖可知，四通管沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要集中在肩部[24-25]。這是由于在入口直管段，砂粒在氣流推動(dòng)作用下獲得動(dòng)能向上運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向與管道軸線(xiàn)方向平行，沿管壁法向的速度分量較小，因此入口直管段基本不受沖蝕影響；而在豎直管與水平管交匯處，氣固兩相流向發(fā)生突變，砂粒在其離心力作用下被甩到壁面[19]，以高流速?zèng)_擊四通管肩部，引起肩部沖蝕磨損，在長(zhǎng)時(shí)間使用后極易造成肩部位置穿孔引發(fā)泄漏。

圖4 四通實(shí)際失效位置與模擬位置對(duì)比

圖5 四通管中心截面速度場(chǎng)云圖

圖6 四通管中心截面壓力場(chǎng)云圖

圖7 顆粒沖蝕軌跡圖

圖8 沖蝕顆粒分布圖

3 四通管沖蝕模擬結(jié)果與分析

為了探究流速、顆粒質(zhì)量流量以及顆粒粒徑對(duì)四通管沖蝕的影響，依據(jù)文獻(xiàn)[4]以及文獻(xiàn)[19]中的實(shí)際工況設(shè)置了如表1的變量范圍，分別對(duì)不同條件下四通管氣固兩相流沖蝕進(jìn)行模擬研究，具體的模擬結(jié)果及分析如下。

表1 變量范圍

Tab.1 Scope of variables

3.1 流速對(duì)沖蝕結(jié)果的影響

本節(jié)對(duì)不同流速（10、15、20、25、30 m/s）條件下四通管的沖蝕變化規(guī)律進(jìn)行研究，其中顆粒粒徑取0.15 mm，顆粒質(zhì)量流量分別為0.001、0.005、0.01 kg/s。圖9給出了質(zhì)量流量為0.005 kg/s時(shí)不同流速下四通管的沖蝕速率云圖，圖10給出了不同流速下四通管最大沖蝕速率的變化趨勢(shì)。

圖9 不同流速下沖蝕速率云圖

圖10 流速對(duì)最大沖蝕速率的影響

由圖9沖蝕云圖可以看到，四通管的沖蝕高危區(qū)主要在豎直管與水平管交匯的肩部區(qū)域以及豎直管的封閉末端，肩部沖蝕更為嚴(yán)重。隨著流速的增大，肩部以及豎直管頂部的沖蝕程度均顯著增加，同時(shí)出口管頂部的沖蝕區(qū)域也有所增加。當(dāng)入口流速增加時(shí)，流體對(duì)砂礫的攜帶效果增強(qiáng)，導(dǎo)致砂礫自身動(dòng)能增加，對(duì)四通管內(nèi)壁的沖擊碰撞以及切削力度變大，造成了肩部以及豎直管封閉端的沖蝕區(qū)域和沖蝕速率的增大[26]。同時(shí)從圖5中可以看到，流速的增加會(huì)導(dǎo)致出口管出現(xiàn)較大徑向速度梯度，且速度越大，徑向梯度越顯著，流體和顆粒對(duì)出口管頂部的沖擊越大，造成了出口管頂部沖蝕程度的加深。從圖10可以看到，隨流速增加，四通管的最大沖蝕速率近似呈指數(shù)增長(zhǎng)，且顆粒質(zhì)量流量越大，沖蝕速率增長(zhǎng)趨勢(shì)越顯著。顆粒質(zhì)量流量的增加導(dǎo)致四通管內(nèi)顆粒濃度增加，在高顆粒濃度和高流速共同作用下，四通管的沖蝕程度顯著增大。

3.2 質(zhì)量流量對(duì)沖蝕結(jié)果的影響

本節(jié)對(duì)不同顆粒質(zhì)量流量（0.001、0.003、0.005、0.008、0.01 kg/s）條件下四通管的沖蝕變化規(guī)律進(jìn)行研究，其中顆粒粒徑取0.15 mm，流速分別為10、20、30 m/s。圖11給出了流速為20 m/s時(shí)不同質(zhì)量流量下四通管的沖蝕云圖。圖12為不同顆粒質(zhì)量流量條件下四通管最大沖蝕速率的變化規(guī)律。

圖11 不同質(zhì)量流量下沖蝕速率云圖

圖12 質(zhì)量流量對(duì)最大沖蝕速率的影響

由圖11中四通管沖蝕云圖可知，隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，四通管各位置的沖蝕速率均有不同程度的增大。當(dāng)相同流速條件下，顆粒質(zhì)量流量的增大使得四通管內(nèi)顆粒濃度增大即顆粒數(shù)量增加，更多的顆粒沖擊、碰撞以及切削四通管內(nèi)壁面，使得相同時(shí)間四通管內(nèi)壁面受到的顆粒沖擊頻次增加，導(dǎo)致四通管最大沖蝕速率的增大。從圖12可以看到，隨四通管顆粒質(zhì)量流量增大，四通管最大沖蝕速率近似為線(xiàn)性增大。

3.3 顆粒粒徑對(duì)沖蝕結(jié)果的影響

本節(jié)對(duì)不同顆粒粒徑（0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 mm）條件下的四通管沖蝕速率變化情況進(jìn)行研究，流速為20 m/s，質(zhì)量流量分別取0.001、0.005、0.01 kg/s。圖13是質(zhì)量流量為0.005 kg/s時(shí)不同顆粒粒徑下四通管的沖蝕速率云圖。圖14為不同顆粒粒徑條件下四通管最大沖蝕速率的變化規(guī)律。

圖13 不同顆粒粒徑下沖蝕速率云圖

由圖13可知，隨著顆粒粒徑增大，四通管肩部的沖蝕速率出現(xiàn)先減小再上升的變化趨勢(shì)。當(dāng)粒徑較?。?.05 mm）時(shí)，砂礫對(duì)流體的跟隨性較強(qiáng)，在氣流攜帶作用下造成了四通管肩部的沖蝕區(qū)域，而豎直管頂部幾乎不受顆粒沖蝕的影響。隨著顆粒粒徑的增大（0.05～0.15 mm），四通管豎直封閉末端的沖蝕程度有所增加，但其肩部沖蝕速率下降。當(dāng)顆粒粒徑為0.15 mm時(shí)，四通管沖蝕速率最小。而當(dāng)顆粒粒徑繼續(xù)增加時(shí)，四通管肩部的沖蝕速率又逐漸增大。圖13的沖蝕云圖表明顆粒粒徑對(duì)四通管最大沖蝕速率的影響存在臨界值（0.15 mm）[27]。結(jié)合圖14可以看到，當(dāng)四通管內(nèi)顆粒粒徑小于臨界值時(shí)，最大沖蝕速率隨顆粒粒徑增加而逐漸降低；當(dāng)顆粒粒徑大于臨界值時(shí)，最大沖蝕速率隨顆粒粒徑增加而逐漸增加（顆粒質(zhì)量流量較小時(shí)臨界粒徑為0.1 mm）。當(dāng)顆粒粒徑小于臨界粒徑時(shí)，顆粒粒徑的增加使得管道內(nèi)的顆粒數(shù)量減少，使得在相同時(shí)間內(nèi)四通管受到的顆粒沖擊頻次減少，造成了肩部的沖蝕速率降低。隨著顆粒粒徑超過(guò)臨界粒徑，在質(zhì)量流量不變的情況下，盡管其顆粒數(shù)量變少，但由于單個(gè)顆粒的動(dòng)能顯著增加，使得四通管內(nèi)壁受到的沖擊動(dòng)能隨之增加，因此四通管最大沖蝕速率又逐漸變大。此外可以看到，隨著顆粒質(zhì)量流量的增大，四通管的沖蝕速率顯著增加。

圖14 顆粒粒徑對(duì)最大沖蝕速率的影響

4 四通管最大沖蝕速率預(yù)測(cè)模型

結(jié)合氣固兩相流四通管在實(shí)際工況下的沖蝕模擬結(jié)果，通過(guò)回歸分析方法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，提出了基于流速、質(zhì)量流量和顆粒粒徑這3個(gè)主要影響因素的最大沖蝕速率預(yù)測(cè)模型，如式（8）所示。

式中：表示沖蝕速率，kg/(m2·s)；表示流體流速，m/s；表示顆粒質(zhì)量流量，kg/s；p表示顆粒粒徑，mm；為系數(shù)項(xiàng)；、、分別表示速度指數(shù)、質(zhì)量流量指數(shù)和粒徑指數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果如表2。根據(jù)表2沖蝕速率數(shù)值模擬結(jié)果，利用回歸分析法擬合，最終獲得四通管最大沖蝕速率預(yù)測(cè)模型如式：

擬合結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖15所示，擬合值與模擬值誤差均在20%以下，二者吻合較好。

從得到的四通管最大沖蝕速率預(yù)測(cè)模型中可以看到，最大沖蝕速率與流速的二次冪、顆粒質(zhì)量流量的一次冪成正比。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)降低流速并盡可能減少注汽過(guò)程中的顆粒夾帶，避免由于流速過(guò)大或顆粒含量過(guò)高引起四通管沖蝕程度增加。所建立的四通管最大沖蝕速率預(yù)測(cè)模型可對(duì)未知工況下四通管的實(shí)際沖蝕程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并預(yù)先對(duì)四通管進(jìn)行防護(hù)處理，如局部加厚、添加擾流內(nèi)構(gòu)件等。此外，根據(jù)預(yù)測(cè)模型以及允許的壁厚損失可對(duì)注汽過(guò)程的操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免操作參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起四通管沖蝕程度增加。

表2 沖蝕速率模擬結(jié)果

Tab.2 Simulation results of erosion rate

圖15 不同條件下模擬值與擬合值對(duì)比

5 結(jié)論

1）四通管沖蝕主要發(fā)生在四通管的肩部以及豎直管封閉末端兩處位置，其中肩部沖蝕最為嚴(yán)重，在工程應(yīng)用過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)四通管肩部的厚度監(jiān)測(cè)。此外，可通過(guò)對(duì)肩部進(jìn)行加厚處理，或在四通管內(nèi)部添加擾流內(nèi)構(gòu)件來(lái)減輕肩部的沖蝕磨損。

2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨流速的增加，四通管最大沖蝕速率呈指數(shù)增大的趨勢(shì)；隨質(zhì)量流量增加，顆粒數(shù)量增加，更多的顆粒沖擊四通管內(nèi)壁，使得四通管最大沖蝕速率呈線(xiàn)性增大的趨勢(shì)；隨顆粒粒徑的增加，四通管的沖蝕速率出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。在實(shí)際工況中，要適當(dāng)降低流速并盡可能減少顆粒夾帶，以增加四通管使用壽命。

3）四通管最大沖蝕率預(yù)測(cè)模型是3個(gè)主要影響因素（流速、質(zhì)量流量、顆粒粒徑）的函數(shù)。該模型對(duì)工程應(yīng)用中四通管沖蝕速率的預(yù)測(cè)具有重要作用，即對(duì)于未知工況下四通管沖蝕程度的預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果及時(shí)對(duì)四通管進(jìn)行防護(hù)處理；同時(shí)也可以基于該模型和允許的壁厚損失對(duì)稠油熱采注汽階段的操作參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，避免操作參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的四通管沖蝕程度增加。

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Numerical Simulation of Influence Factors on Erosion Characteristics of Four-way Pipe in Heavy Oil Thermal Recovery

1,1,2,1,1,3

(1. China University of Petroleum (East China), Shandong Qingdao 266580, China; 2. Qingdao Port (Group) Co. Ltd., Shandong Qingdao 266011, China; 3. Key Laboratory of Special Equipment Safety and Energy-saving for State Market Regulation, China Special Equipment Inspection and Research Institute (CSEI), Beijing 100029, China)

The gas-solid two-phase flow erosion of the four-way pipe in the process of heavy oil thermal recovery was studied, the erosion variation law was analyzed based on different influencing factors, and the prediction model of the maximum erosion rate of the four-way pipe was built. Based on the gas-solid two-phase flow theory, a numerical model of CFD- DPM-EPM was established to research the influence of different flow velocity, mass flow rate, and particle size on the four-way pipe’s erosion.

The location and magnitude of maximum erosion rate of four-way pipe are predicted. There are erosion defects in the shoulder position of the four-way pipe, namely the intersection of vertical pipe and horizontal pipe, and the top of the closed end of the vertical pipe. The simulation results are consistent with the actual failure of the four-way pipe. Flow field structures and particles trajectories were analyzed to verify the erosion distribution on the four-way pipe. Due to the change of the pipeline structure at the intersection, the flow direction of gas-solid phase changes significantly, and the particles impact the shoulder position of the four-way pipe with high velocity under the action of centrifugal force, eventually forming a serious erosion area of the shoulder. The maximum erosion rate of the four-way pipe increases exponentially with the increase of inlet velocity. Furthermore, a continuous erosion zone was observed at the top of the outlet pipe when the velocity was higher.With the increase of velocity, the carrying effect of fluid on particles is enhanced, resulting in the increase of the kinetic energy of particles. The collision on the inner wall of the four-way pipe and the cutting force become larger. Meanwhile, the increase of velocity will lead to a large radial velocity gradient in the outlet pipe, and the greater the velocity, the more significant the radial gradient, the greater the collision of fluid and particles on the top of the outlet pipe, resulting in the erosion of the top of the outlet pipe. The maximum erosion rate increases linearly with the increase of particle mass flow rate. When the velocity remains constant, the number of particles increases with the increase of particle mass flow rate. And then the number of particle collision per unit time of four-way pipe wall increases, and finally leads to the increase of erosion rate. With the increase of particle size, the maximum erosion rate decreases first and then increases, and there is a critical particle size with the minimum erosion rate. The study shows that the erosion rate at the shoulder of the outlet section of the four-way pipe is higher than the top of the closed end, and the shoulder is a higher risk area of erosion wear. Hence, it is necessary to pay attention to the erosion wear degree of the shoulder and carry out timely protection treatment, and reduce the erosion of the shoulder by local thickening or adding turbulence internal components in the actual application. At the same time, the velocity should be appropriately reduced and the entrainment of particles should be minimized to increase the service life of the four-way pipe.

A mathematical model for predicting erosion rate of the four-way pipe was established. The parameters of velocity, particle mass flow rate and particle size were considered in this model. The fitted value of the mathematical model of four-way pipe was compared with the simulated value. The results show that the fitting value is in good agreement with the simulated value. The prediction model of erosion rate can be used to predict erosion degree of the four-way pipe and adjust operation parameters in the process of steam injection in heavy oil thermal recovery.

heavy oil thermal recovery; four-way pipe; erosion wear; gas solid two-phase flow; numerical simulation

TH117.1

A

1001-3660(2022)11-0244-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.022

2021–10–12；

2022–03–07

2021-10-12；

2022-03-07

朱麗云（1987—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槭突ぴO(shè)備。

ZHU Li-yun (1987-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: petrochemical equipment.

朱麗云, 王森, 王國(guó)濤, 等.稠油熱采四通管沖蝕特性影響因素?cái)?shù)值模擬研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 244-252.

ZHU Li-yun, WANG Sen, WANG Guo-tao, et al. Numerical Simulation of Influence Factors on Erosion Characteristics of Four-way Pipe in Heavy Oil Thermal Recovery[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 244-252.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清