基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗裝置的製作方法

2023-10-10 03:29:14 1

本發明涉及氣固兩相衝蝕試驗技術領域，具體涉及一種基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗裝置。

背景技術：

目前，在天然氣運輸中，管道集輸是主要的方式，在天然氣集輸過程中，從氣藏採出後的天然氣往往夾帶著固體顆粒(巖屑、砂礫等)，對集輸管道有嚴重的衝蝕危害，如氣體鑽井井筒攜砂氣流衝蝕鑽具致鑽杆斷裂、氣體輸送管道彎頭衝蝕穿孔破裂、排砂管線變徑段衝蝕失效等。因此，攜砂氣流對管道、設備的衝蝕速率一直是人們研究的重點，管道內流動過程是典型的氣固兩相流，在彎頭處流場幾何形狀突變，造成流場的壓力、速度矢量等氣動參數均發生突變，夾帶的固體隨之衝擊彎頭壁面，產生衝刷磨損現象，惡化後造成彎頭穿孔等危害。通過研究天然氣攜固體顆粒對彎頭的衝蝕磨損規律和機理，從而控制彎頭的壁厚損失，抑制衝蝕穿孔的發生，減少衝蝕磨損造成的生產事故。

國內外學者對磨損現象的研究從二十世紀六十年代開始進入快速發展時期，學者們研究了攻角、衝擊速度、顆粒以及靶材物性等多種因素對衝蝕磨損結果的影響；學者們也提出了多種機理來解釋不同工況下的衝蝕磨損現象。近三十年來，國外多所高校搭建了眾多氣體試驗流道從事氣固多相流的衝蝕磨損研究，而由於搭建氣固兩相流實驗裝置費用昂貴。針對90°彎頭的衝蝕磨損研究，目前大部分國內學者通常採用計算機仿真的方式，但計算過程中網格質量、計算步長、收斂程度、耦合方程準確性等都影響了衝蝕磨損量的預測結果，難以適用於現場工況，有待結合試驗驗證並深入研究。而採用實驗裝置進行試驗中，專利號為EP84101397.2的歐洲專利公開了一種抗腐蝕彎管，其說明書對其測試方式進行了少量描寫，但其主要採用的是單一液體進行衝蝕試驗，專利號為CN200710067815.1的中國專利公開了一種環道式多相流實驗裝置，但這種裝置主要用於測試多相流衝蝕，依然是以液體為主要研究對象。

目前國內外存在的氣體衝蝕裝置大都採用單一衝蝕法，如專利號為CN201620086144.8的中國專利，其只能在單位時間內針對單一流向管線進行試驗，換其他角度管線的時候需要拆卸實驗裝置，增加試驗時間和設備機械磨損。現有技術暫時還未出現能夠在幾何尺寸、氣動參數與顆粒參數上極大程度與現場工況契合、反映實際工況，且能同時進行多組不同流向試驗的氣固兩相流彎頭實驗裝置。因此，設計研發一套實驗裝置，對氣固兩相流彎頭衝蝕機理方面的研究具有重要的理論價值和工程意義。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一套基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕實驗裝置，在試驗過程中可對氣田集輸系統包括的90°彎頭所有流向(水平流動向上、水平流動向下、水平流動向水平、豎直向上流動至水平以及豎直向下流動至水平)進行研究，可不間斷連續循環試驗，並在試驗過程中實時記錄試驗數據。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：

基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗裝置，包括加注系統、監測系統、試樣系統，所述加注部分包括鼓風機、儲砂罐和電動加砂器；所述監測系統包括流量調節閥、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、計算機；所述試樣系統包括試驗彎頭、直管段和回收管線，試驗彎頭由1#試驗彎頭、2#試驗彎頭、3#試驗彎頭、4#試驗彎頭、5#試驗彎頭組成；所述鼓風機連接直管段，直管段上依次安裝有流量調節閥、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器，然後在直管段管壁上方安裝電動加砂器，電動加砂器連接儲砂罐；所述直管段上依次連接1#試驗彎頭、2#試驗彎頭、3#試驗彎頭、4#試驗彎頭、5#試驗彎頭，然後通過回收管線連接回儲砂罐；所述流量調節閥、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器和鼓風機、電動加砂器均連接到計算機。

進一步的，所述1#試驗彎頭和2#試驗彎頭為水平向上連接、2#試驗彎頭和3#試驗彎頭為垂直向左連接、3#試驗彎頭和4#試驗彎頭為垂直向前連接、4#試驗彎頭和5#試驗彎頭為水平向右連接。

進一步的，所述直管段和試驗彎頭的內直徑均為150mm，壁厚3mm，材料為Q235低碳鋼管。

進一步的，所述儲砂罐為鋼製圓桶，直徑800mm，高度1000mm，內部儲存試驗固相介質；上端由篩網籠罩，下端設計為漸收型結構，並在下方設有落砂控制閥。

進一步的，所述篩網為110目。

進一步的，所述直管段與試驗彎頭的連接採用法蘭形式，並設置橡膠墊片。

本發明還包括一種基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗方法，步驟如下：

S1、首先啟動鼓風機，經過加速後的氣相通過直管段依次流過流量調節閥、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器，計算機在規定時間點從流量調節閥、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器收集數據並儲存；

S2、通過計算機採集數據判定氣相流場穩定後，開啟電動加砂器，儲砂罐中的固體顆粒經過落砂控制閥進入直管段，然後固體顆粒作為第二相與氣相混合均勻形成紊流，組成氣固兩相流；

S3、使用氣固兩相流對試驗彎頭進行衝蝕磨損實驗：

S3.1、氣固兩相流經直管段流入1#試驗彎頭，從水平方向向上折流，與1#試驗彎頭管壁碰撞產生衝蝕磨損，然後離開1#試驗彎頭，以此測試水平向上衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；

S3.2、從1#試驗彎頭流出的氣固兩相流進入豎直直管段，再次充分發展紊流，氣固兩相流豎直向上流動至水平衝擊2#試驗彎頭，然後離開2#試驗彎頭，以此測試垂直向上轉水平衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；

S3.3、從2#試驗彎頭流出的氣固兩相流進入水平直管段，再次充分發展紊流，氣固兩相流水平向左流動至豎直衝擊3#試驗彎頭，然後離開3#試驗彎頭，以此測試水平向下衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；

S3.4、從3#試驗彎頭流出的氣固兩相流進入直管段，再次充分發展紊流，氣固兩相流豎直向上流動至水平衝擊4#試驗彎頭，然後離開3#試驗彎頭，以此測試垂直向下轉水平衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；

S3.5、從4#試驗彎頭流出的氣固兩相流進入直管段，再次充分發展紊流，氣固兩相流豎直向上流動至水平衝擊5#試驗彎頭，然後離開3#試驗彎頭，以此測試水平直角轉向衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；

S3.6、從5#試驗彎頭流出的氣固兩相流進入回收管線，然後流入儲砂罐進行氣固分離回收砂粒，形成循環迴路，再次投入實驗中，直到實驗結束。

進一步的，所述步驟S3.2～S3.5中，所述氣體在離開試驗彎頭後，在後續流體的推動下，其動能損失得到補充，能保持與初速度相同速度繼續衝擊下一個試驗彎頭，確保衝蝕磨損實驗速度參數相同。

整個實驗裝置由管道和儲砂罐為氣固兩相流提供流動循環迴路，供能系統提供流動動力，加砂系統混合固相，彎頭與紊流充分發展直管段相結合不斷改變氣固兩相流入射方向來實現試驗目的。並安裝流量調節閥控制氣體流量，儲砂罐下部的落砂控制閥控制單位時間內衝蝕顆粒量，溫度變送器、壓力變送器、流量變送器配合計算機終端收集儲存數據。試驗彎頭與直管段均以法蘭形式連接實現靈活拆卸功能。

本發明的優點是：

(1)本發明涵蓋了天然氣集輸管道系統中可能出現的所有90°彎頭的流向，在試驗彎頭內部固相顆粒受到氣體拽力和重力的共同作用，能夠深入研究在不同重力方向作用下的衝蝕機理；

(2)本實驗裝置形成了循環迴路，砂礫可以經回收後再次對試驗彎頭進行衝刷磨損，而氣體可通過110目篩網分離放空；回收系統不經過鼓風機，使實驗裝置中的鼓風機葉輪、流量調節閥、各參數變送器不會遭受砂礫磨損的侵害；

(3)實驗可完全參照管輸流速，同時選擇所模擬天然氣管道常見物理形狀尺寸的砂礫，更真實的模擬現場情況；

(4)電動轉機採用220V交流輸入，在居民供電系統下便能操作試驗，降低實驗條件門檻；

(6)除氣固兩相衝刷彎頭試驗外，本裝置還可以進行管道內塗層防衝蝕能力等試驗，功能多變，利用效率高；

(7)試驗環道所有部分均可拆卸，便於觀察在長時間累計效應下水平、豎直方向受砂礫衝刷磨損情況；且可根據功能需要新增設備設施，具有靈活、可持續性擴展功能使用的特性。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明另一角度的結構示意圖；

圖中所示：1、鼓風機；2、直管段；3、流量調節閥；4、溫度變送器；5、壓力變送器；6、流量變送器；7、電動加砂器；8、儲砂罐；9、落砂控制閥；10、篩網；11、1#試驗彎頭；12、2#試驗彎頭；13、3#試驗彎頭；14、4#試驗彎頭；15、5#試驗彎頭；16、回收管線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

如圖1～圖2所示，基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗裝置，包括加注系統、監測系統、試樣系統，所述加注部分包括鼓風機1、儲砂罐8和電動加砂器7；所述監測系統包括流量調節閥3、溫度變送器4、壓力變送器5、流量變送器6、計算機(圖中未畫出)；所述試樣系統包括試驗彎頭、直管段2和回收管線16，試驗彎頭由1#試驗彎頭11、2#試驗彎頭12、3#試驗彎頭13、4#試驗彎頭14、5#試驗彎頭15組成；所述鼓風機1連接直管段2，直管段2上依次安裝有流量調節閥3、溫度變送器4、壓力變送器5、流量變送器6，然後在直管段2管壁上方安裝電動加砂器7，電動加砂器7連接儲砂罐8；所述直管段2上依次連接1#試驗彎頭11、2#試驗彎頭12、3#試驗彎頭13、4#試驗彎頭14、5#試驗彎頭15，其中1#試驗彎頭11和2#試驗彎頭12為水平向上連接、2#試驗彎頭12和3#試驗彎頭13為垂直向左連接、3#試驗彎頭13和4#試驗彎頭14為垂直向前連接、4#試驗彎頭14和5#試驗彎頭15為水平向右連接，然後通過回收管線16連接回儲砂罐8，直管段2與試驗彎頭的連接採用法蘭形式，並設置橡膠墊片；所述流量調節閥3、溫度變送器4、壓力變送器5、流量變送器6和鼓風機1、電動加砂器7均連接到計算機。

所述直管段2和試驗彎頭的內直徑均為150mm，壁厚3mm，材料為Q235低碳鋼管；所述儲砂罐8為鋼製圓桶，直徑800mm，高度1000mm，內部儲存試驗固相介質；上端由110目篩網10籠罩，下端設計為漸收型結構，並在下方設有落砂控制閥9。

所述試驗彎頭內徑選擇DN150mm尺寸，是通過文獻調研該尺寸在氣田集輸管道系統中應用較為廣泛，以其作為實驗對象具有解決實際工程問題的積極意義。

所述試驗彎頭規格為彎徑比R/D＝1.5的90°標準直角彎頭。

在實驗裝置上，為便於支撐效果，試驗彎頭和儲砂罐8上，可增設輔助支架。

試驗過程中可直接採用氣田現場流速作試驗參數；砂礫質量流量、幾何稜角、尺寸、硬度、密度等物理化學性質可採用氣田實際參數進行解決特定工程問題的試驗，篩選特定目數的砂礫進行純理論研究，確保實驗符合現場情況。本次研究對象採用100目的砂礫，因此採用110目的篩網10，確保砂礫不會溢出儲砂罐8。

電動加砂器7內設有電動機和內葉輪，電動機上設有額定檔位，通過選擇調整檔位，來控制實驗中的加沙速度。

鼓風機1設有對應的電動機，電動機採用220V額定電壓轉子電機，為鼓風機提供能量，產生1.00m/s～50.00m/s、高於當地大氣壓1.4kPa的氣流。

基於不同流向的氣固兩相流90°彎頭衝蝕環道實驗裝置，其實驗操作步驟如下：

本裝置在使用前，氣體流量調節閥3常開，落砂控制閥9常閉，實驗時首先開動電動機帶動風機，檢查整個管道氣密性，調節流量調節閥3，在計算機上讀取數據得到指定流速，然後保證流量調節閥3穩定，氣相主流場穩定後開啟電動機，帶動電動加砂器7，然後開啟落砂控制閥9，控制砂礫流出量，在實驗進行過程中落砂控制閥9處於常開狀態，實驗結束後落砂控制閥9處於關閉狀態；電動加砂器7內的電動機帶動內葉輪旋轉，將固相向下吹動並混合入氣相，然後形成氣固混合物，開始進行對彎頭的衝刷實驗；

氣固兩相流經直管段2流入1#試驗彎頭11，從水平方向向上折流，與1#試驗彎頭11管壁碰撞產生衝蝕磨損，然後離開1#試驗彎頭11，以此測試水平向上衝擊90°彎管的衝蝕磨損情況；然後依次通過2#試驗彎頭12、3#試驗彎頭13、4#試驗彎頭14、5#試驗彎頭15，進行水平向下衝擊、垂直向上轉水平衝擊、水平向下衝擊、垂直向下轉水平衝擊、水平直角轉向等5種衝擊實驗；單次衝擊完後的氣固兩相流通過回收管線16流入儲砂罐8，氣體通過110目篩網10排空，砂礫再次參與實驗，實現循環使用；

實驗即將結束時首先關閉落砂控制閥9，其次關閉電動機，等待氣相徹底攜帶管道內固體進入儲砂罐8，關閉電動機；然後可拆卸下所有試驗彎頭，進行壁厚測量進行後處理等數據分析。

在上述步驟中，如果在大顆粒砂礫實驗室，砂礫碰撞損壞較多，可在儲砂罐8側面設置加砂管線，在試驗中根據需求進行加砂作業，保證實驗裝置的連續性。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。