基于流固耦合的高压鱼尾管汇力学特性研究

2022-03-19杨志勇

现代制造技术与装备 2022年2期

王鑫杨志勇华剑

（1.长江大学结构强度与振动研究所，荆州 434023；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤西作业公司，天津 300459）

鱼尾管汇在石油作业现场有着广泛的应用，主要用于压裂作业现场。随着使用时间的增加，鱼尾管在外界环境和高压工况共同作用下，管汇内壁会出现坑点、破裂等破坏现象，从而减低管汇的使用寿命。针对这种情况，以ANSYS Workbench为平台对鱼尾管汇进行数值模拟，研究鱼尾管汇在不同的流速及压强下的力学特性，从而找出影响力学特性的关键因素。

张杰[1]利用ADINA软件分别对直流等径管、异径管进行流固耦合数值模拟，得出了流固耦合作用及流速对管道振动影响明显的结论。曹海兵[2]等利用Fluent软件对不同结构三通管内的流体流动特性进行数值模拟，发现T型三通的水头损失幅度最大，圆弧型三通的水头损失幅度最小。李玺[3]在泊松流固耦合的理论基础上创建建立了管道内部流体的动力学模型，研究分析了管道的流固耦合受力情况。郝文乾[4]等研究了正弦波纹管在轴向载荷作用下的力学行为，得到了弯曲耗散能、拉伸耗散能以及压溃力这3个参数的理论表达式。类似管道研究主要集中在直管、T型管等，对鱼尾管的研究相对较少[5-7]。因此，本文选用鱼尾管为研究对象，以ANSYS Workbench为数值模拟工具对鱼尾管进行单向和双向流固耦合数值模拟，研究了其应力及形变情况，并对比分析了流固耦合的结果，最后通过分析流体速度及流体压强这两种因素对鱼尾管力学性能的影响，得到了影响鱼尾管力学性能的主要因素，为鱼尾管的安全使用提供了一定的理论依据。

1 鱼尾管结构模型和流道模型建立

根据当前石油钻采现场的实际情况，本研究选用压裂现场使用的高压鱼尾管，型号为SWG-42-2。该尾管的结构如图1所示，两支管的夹角为120°，管道内径为50 mm，支管的长度为305 mm，尾管的管体组成固体域，管内流动的流体为流体域，模型结构左右对称，管道的材料采用结构钢。在建立模型时，首先建立固体域模型，即在SolidWorks中建立管道的模型，然后在Workbench中的DM模块填充出流体域，再进行相关设置计算。模拟过程中，选取A、B、C为进口，E为出口。

2 流固耦合力学特性分析

流固耦合分为单向耦合和双向耦合。单向耦合仅考虑流体对结构的作用，双向耦合考虑的是流体与结构之间的相互作用，因此双向耦合更符合实际情况。为了验证单向与双向流固耦合之间的区别，进行了单双向流固耦合对比分析。流场仿真条件为：流场介质为25 ℃的水，上方A、B、C这3个管为入口，入口速度为5 m·s-1，下方的E管为流体静压出口，且4个管口均设置为固定约束。计算所得的应力结果分别如图2和图3所示。

由图2和图3可知，单向和双向耦合计算结果应力云图和变形区域基本一致，两者的最大应力值相差很小，几乎可以忽略不计，说明流体对结构的作用效果较大，结构对流体的作用效果很小。因此，对该鱼尾管进行研究时，进行单向流固耦合即可满足对主要影响因素的探究。

3 探究鱼尾管力学特性影响因素

3.1 流体速度

为了研究流体速度对鱼尾管耦合作用的影响，利用控制变量法保持其他因素不变，选取不同的流速展开研究[8-10]。同时，为了消除速度变化可能对结果造成的影响，速度增量保持为2 m·s-1，控制进口流速分别为4 m·s-1、6 m·s-1、8 m·s-1，并使鱼尾管的4个管口保持固定状态，计算结果如图4所示。

从图4可以看出：随着流速的增加，对应的最大应力值变化很小，几乎可以忽略；应力云图中的应力集中位置并没有发生变化，整个结构上的应力分布趋于一致，并没有随着流速的增加发生较大变化，说明该鱼尾管在工作时流体速度对耦合场的作用影响较小。

3.2 流体压强

在考虑力学特性影响因素时，流体压强也是影响鱼尾管耦合效果的主要因素。利用Workbench有限元分析软件进行模拟，利用控制变量方法将入口速度设置为5 m·s-1采取不同的流体压强值进行模拟，分别计算出流体压强为12 MPa、14 MPa、16 MPa时的等效应力云图，计算完成后得到鱼尾管在不同流体压强下的应力和位移云图如图5所示。

对比图5中3种不同流体压强的仿真结果可知，在流体压强从12 MPa到16 MPa变化时，流体压强的大小对流固耦合作用下的鱼尾管应力影响较大。从应力云图可以看出，最大应力主要集中在两支管与主管的交汇处，即相贯线位置。

因为该区域是高速流体与管壁接触最多的位置，而且在建立模型时，内腔相贯线处未做圆角处理，所以导致相贯线处出现应力集中化现象，从而导致最大应力超过材料的许用应力。但在实际工况中，人们会对相贯线处进行特殊处理以减小应力集中，不会出现上述情况。从整个应力云图来看，鱼尾管的整体结构强度符合要求，随着流体压强的增加，鱼尾管的应力值逐渐增大，且变化趋势较大。通过对比分析可知，流体压强对于耦合场的作用较明显。因此，在管路设计中，流体压强应该作为主要因素来考虑。