探究水力空蚀物理清洗的清洗效果及数值模拟*

郭玉婷,郝惠娣,吴煜斌,钟雨心

(1 西北大学化工学院，陕西　西安　710069；2 西部金属材料股份有限公司，陕西　西安　710069)



探究水力空蚀物理清洗的清洗效果及数值模拟*

郭玉婷1,郝惠娣1,吴煜斌1,钟雨心2

(1 西北大学化工学院，陕西西安710069；2 西部金属材料股份有限公司，陕西西安710069)

介绍了空蚀清洗技术的原理及优点，并对安塞油田超低渗坪42-291井组集油管采用空蚀物理清洗，详细说明了施工过程和清洗结果。依据现有的理论依据与油田实际应用情况对水力空蚀物理清洗设备进行结构模拟，使用 CFX软件对该清洗器进行流场的模拟计算，其中，压力和流速是影响空化情况的主要因素，故改变操作参数，对不同速度和不同压力对空化效果的影响进行探究。结果证实了速度越快，负压区越强，范围越大。进口压力越大，叶片缝隙流速越大，负压也越高。对空穴射流清洗结构的进一步发展提供依据。

空蚀清洗；安塞油田；数值模拟

空蚀清洗技术利用了流体力学中的空穴效应与气蚀原理，从而对管道内壁硬垢进行清洗。当液体涌入管道向前推进时，水流的扰动与前后的压力差产剧烈振动，急速旋转的涡流形成了连续移动的低压区，使得溶于液体中的气体脱离出来，产生气泡。空泡碰撞破裂后，破裂点附近发生剧烈扰动，在极短的时间内，局部流体会产生大幅度的激波和微射流，并产生很高的应力集中，由于大量的空泡破裂产生的压力重复作用会导致局部壁面疲劳失效和表面材料的分离和剥落[1]。

在各种不同的管道(输水、输油、输气等)中清洗技术中，空蚀清洗技术是最先进、高效的物理技术。它可以将油垢、化学垢、水垢、锈垢、软性垢、硬性垢、粘性垢等多种垢质彻底清除[2]。

影响空化产生以及发展程度的两个重要因素是压力和流速，从而检验清洗器设计的合理性。姜艳威[2]在油田管道空穴射流清洗工艺数值模拟与实验研究中选用不同的流场压力进行模拟，从而检验清洗器设计的合理性。孙红镱等[3]在空穴射流清洗技术应用及流场数值模拟研究模拟了空穴射流场压力的分布情况。本文也将研究对象设定为速度与压力，探究设备内部的空化程度。

1　安塞油田超低渗坪42-291井组集油管空蚀物理清洗施工情况

坪42-291井组位于坪桥乡,投运于2009年十月份，管线规格为Ф60 mm，全程长1.2 km，井组内有油井8口，日产液量21.92方，综合含水34.4%。管线投用后，因结蜡与结垢，开始频繁出现管线堵死的现象，井组回压冬季上升至2.5 MPa以上。扫线时发现管线内壁结垢厚度1～2 mm，且有块状结垢物出现。

该井组管线从井场至坪三增压点中途距坪42-291井组500 m左右位置安装水套炉一具。管线经多次扫线作业，管线上焊接口较多。

1.1清洗施工过程

(1)停抽坪42-291井场8口油井。

(2)对坪42-291井组集油管线排液泄压，彻底吹扫干净管线内存有的油、气。

(3)动火更改坪42-291井场外出口集油管线和坪三增压点站外进口集油管线，便于安装清洗仪器。

(4)对井场至坪三增压点中途距坪42-291井组500 m左右位置安装水套炉进行改造或者越过水套炉。

(5)在一端投放清洗仪器后，连接扫线车和水罐车；在另一端回收口连接清洗仪器回收装置、排污管线和空罐车。

(6)启动水泥车，开始清垢作业，压力控制在管线承压范围以内，万一出现顽垢，需要提高压力清除，压力应控制在管线允许的安全承压范围之内。

(7)清洗仪器到达终点，清垢结束。

(8)清洗作业结束后，依原流程恢复管线连接，正常生产。

(9)集油管线恢复运行，清理施工现场，施工结束。

1.2施工质量检验结果

安塞油田超低渗坪42-291井组集油管线水力空蚀物理清洗施工通球验收：以已清管线段投φ48 mm球通过为检验标准，检验通过。该管内壁达到了无残垢、回水流量明显增加的效果，污垢在空蚀作用下被击为粉末和小碎块。同时该技术对设备无伤。 清洗前管道内部有大量的垢瘤，清洗后后管道内部可见金属光泽、无垢。

2　数值模拟

2.1设计与计算

图1　叶片结构Fig.1　Blade structure

图2　网格划分Fig.2　Meshing

2.2进口速度对水力空蚀物理清洗性能的影响

保持结构参数和操作条件不变，设计管径为84 mm，叶片高度为50 mm，叶片上直径为58 mm，倾斜角13°。改变进口速度，对其进行模拟。

图3　清洗器模拟压力云图Fig.3　Simulated stress nephogram

图4　不同速度的压力曲线Fig.4　The pressure curve of different speed

工业上的空穴射流清洗器通过水流形成负压，产生空化效应，负压越强，空化效果越好。对不同的进口速度进行模拟，模拟压力云图如图3所示，可以看到流体在设备上的压强变化，流体由下往上运动，遇到阻力时压强急剧增大，穿过叶片缝隙时流径缩小导致速度陡增，造成压降的迅速降低，在叶片边缘形成负压区。

截取叶片上产生负压区的一段压力值，得到如图4所示的压力曲线。可以看出，随着进口速度的增加，负压产生越强烈，负压区域越大，即空化效果越好。工业上出于成本的考虑，通常采用10～15 m/s作为进口速度。

2.3进口压力对水力空蚀物理清洗性能的影响

依然保持结构参数和操作条件不变，将进口条件由速度变为压力，出口压力为1 atm，对进口压力值为0.4 MPa和0.6 MPa 的情况分别进行模拟。

通过改变进口压力，进而改变设备前后的压力差，观察流体的压降与速度变化情况，如图5所示。可以看出，叶片处均形成负压区，说明空化现象存在。对比看出，进口压力为0.4 MPa 时产生的负压区压强远远高于0.6 MPa产生的负压，即产生的空化效果更好。从液体流速矢量云图上看，进口压力为0.6 MPa时流速较快，叶片缝隙处增量明显，满足伯努利定理。

图5　管道侧壁压力云图和速度云图Fig.5　Pipe wall stress nephogram and speed chart

进口压力增大，导致流速加快，负压越高，空化越明显。在工业上，考虑成本等问题，通常采用1.5～2.0MPa的进口压力，可以达到较好的清洗效果。

3　结　论

(1)通过对安塞油田超低渗坪42-291井组集油管采用空蚀物理清洗，从清洗效果来看，证实了空蚀清洗技术的可操作性，并有清洗速度快，效果好，安全性高等优点。

(2)使用 ANSYS中的CFX软件对水力空蚀物理清洗设备的结构进行模拟，改变进口速度，观察流场情况。结果证明速度越快，负压区越强，空化效果越好。

(3)改变进口压力，分别为0.4 MPa，0.6 MPa进行模拟，结果发现，进口压力越大，叶片缝间流速越大，负压越高，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]姜艳威. 油田管道空穴射流清洗工艺数值模拟[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2012:25-30.

[3]孙红镱, 姜艳威, 吕端剑. 空穴射流清洗技术应用及流场数值模拟研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2012,28(6):735-738.

[4]空化与空泡动力学[M]. 镇江:江苏大学出版社, 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

陕西省科技厅工业攻关项目资助(2011K10-21)；陕西省教育厅专项基金(11JK0619)。

郭玉婷(1992-)，女，硕士研究生，化学工程专业。

TQ021.1， TE973

A

1001-9677(2016)08-0163-03