超高压射流磨料粒子对喷嘴冲蚀的有限元分析

2022-12-07霍宏博张彬奇何世明

材料保护 2022年9期

霍宏博，李中，张明，张彬奇，何世明，张智

(1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459；3. 中海油研究总院有限责任公司,北京 100028)

0 前言

海上油气田弃置难度大，既面临海上工程结构物拆除，还需对废弃生产井隔水导管、套管进行拆除[1,2]。由于存在废弃平台桩基尺寸大、生产井多层套管复合、套管极限偏心等难题[3,4]，超高压磨料射流工具成为拆除废弃管柱的利器[5-7]，海上井筒弃置作业应用超高压磨料射流切割技术具备清洁高效的优势[8-13]，全球范围内即将拆除或存在拆除计划的海洋平台超过2 000座[14]，对超高压磨料射流设备存在极大需求，其中喷嘴是磨料射流切割技术中的关键部件[15,16]，其耐蚀性要求苛刻，但超音速的粒子运动轨迹及对喷嘴内壁的巨大冲蚀磨损变化的试验研究非常困难，尤其是碳化钨硬质合金喷嘴，材质硬度高达96 HRA，喷嘴工作压力高达200～250 MPa。粒径尺寸为0.125～0.200 mm的石榴石，预计设计寿命在100 h以上，实际试验一方面消耗大量的原材料，另一方面试验设备难以承受长时间的高压、高磨损条件，且对喷嘴的优化选择需要对多组样品试验，分析优选喷嘴(收缩段、聚焦段)截面形态对粒子加速过程的作用，全周期的喷嘴实际磨损试验优选将极其昂贵，喷嘴冲蚀的仿真模拟势在必行。国内外对中低压条件下的喷嘴内部流场和粒子运动已经开展了较多研究，比如，王超等[17]采用FLUENT软件针对粒子加速特性进行了仿真模拟，对喷嘴内部造型尺寸范围提供了设计依据；花煜昌等[18]在MATLAB建模基础上采用ANSYS仿真模拟粒子加速过程，证明该方法能准确模拟粒子运动情况。但是上述2种方法仅模拟了粒子运动过程，无法模拟粒子对喷嘴内壁的磨损。杨敏官等[19]研究了微型超高压宝石喷嘴的冲蚀机理，为冲蚀机理提供了研究基础，但微型模拟与海洋结构切割的喷嘴尺寸悬殊，且工作状态环境相差甚远，不能很好地指导海洋切割喷嘴的设计。因此，对超高压喷嘴被高速磨料造成冲蚀的行为还需深入研究。为此，本工作针对喷嘴形态，对预混合磨料水射流粒子加速过程开展研究，采用瞬态两相流仿真与离散相仿真并进行可视化处理以模拟冲蚀试验，分析喷嘴内部粒子加速机理及运动轨迹和对内部冲蚀率分布的影响并确定峰值冲蚀率，以为超高压射流喷嘴结构设计提供参考。

1 磨料射流喷嘴造型选择固液两相流建模

超高压磨料射流喷嘴内部结构参数如图1所示，喷嘴内部由收缩段和聚焦段两部分组成，图中，D为入口段直径，mm；L为收缩段长度，mm；l为聚焦段长度，mm；d为喷嘴出口直径，mm；α为收缩角度。喷嘴收缩段曲线造型分为正弦线、抛物线、指数曲线、立方曲线、维氏曲线(维多辛斯基曲线)等，收缩段与聚焦段圆滑过渡。

喷嘴流道为轴对称几何体，采用二维轴对称模型对所有仿真对象建模，模型基本参数如下，网格划分采用四边形单元。

(1)喷嘴材质为碳化钨，密度15 530 kg/m3，出口直径1 mm；(2)喷嘴收缩段长度10 mm，聚焦段长度30 mm；(3)外部流场长度70 mm，直径12 mm；(4)喷嘴工作压力200 MPa，流量30 L/min，粒子占比10%；(5)粒子类型为石榴石，粒径尺寸为0.125 mm；(6)加砂比9%。

以正弦线曲线收缩段为例，介绍喷嘴内部结构建模分析，内部流道(长20 mm、直径12 mm)，外部环境(长70 mm、直径12 mm)，过渡段长10 mm，聚焦段(长30 mm、直径1 mm)，喷嘴内部流场分析模型及有限元建模如图2所示。

2 喷嘴内粒子运动轨迹模拟

固体颗粒在流体作用下的加速运动，根据牛顿第二定律可写为欧拉形式的两相流体运动微分方程[20,21]：

(1)

式中：dp为磨料颗粒的当量直径；ρp，ρ分别为磨料和水的密度；P1为入口压力；up和u分别为磨料和水的速度；CD为曳力系数；τ为积分变量；t为时间；X为质量力(重力、离心力和线加速惯性力等)；Fm为马格努斯升力；Fs为沙夫曼升力。粒子(直径0.12 mm)以相对速度v(80 m/s)在水中运动，其迎风面右侧形成正压，两侧面形成负压，背风侧形成低压。

2.1 两相流流场模拟

两相流仿真采用体积分数来表述粒子相运动规律，能够有效观测粒子相状态[22,23]。粒子速度分布和喷嘴压力分布如图3所示。

粒子经喷嘴收缩段加速，在聚焦段内达到峰值，峰值速度为349 m/s，喷出喷嘴后速度会逐渐减小，而粒子经喷嘴收缩段进入聚焦段后，体积含量提高，喷出后粒子流束逐渐变粗。

粒子(Phase 1)与水(Phase 2)沿轴线速度分布如图4所示。在喷嘴内部水的速度高于粒子速度，粒子处于加速状态；脱离喷嘴后(喷嘴出口位置-30 mm)，水的速度低于粒子速度，粒子处于减速状态。粒子首先从压力入口喷嘴前部非均匀加速，中部较慢，经喷嘴收缩段加速后进入聚焦段，射出喷嘴的粒子在外环境中浓度逐步提高，第1粒子集团在30 ms射出有限元仿真控制体，30 ms后进入外流场，粒子体积分数分布趋于稳定。

2.2 离散相粒子动态轨迹

仿真过程中跟踪部分粒子的动态运动轨迹，粒子由入口进入喷嘴内部仿真区域，随着进一步运动，粒子开始发散(图5a)，个别粒子会陆续进入收缩段，随后所有粒子通过收缩段进入聚焦段(图5b)，最终所有被跟踪粒子全部通过喷嘴进入外部流场。

粒子间相互碰撞导致粒子运动具有随机性，使相同点出发的粒子会有不同轨迹。取上、中两点，每点发出10个粒子，其单点轨迹跟踪见图6a和图6b。上部靠近内壁处发出的粒子在冲击喷嘴端部后，进入喷嘴收缩段，再经喷嘴聚焦段喷出，中部位置发出的粒子，沿流线向轴线汇聚，再经聚焦段喷出。从入口各点出发的粒子沿各自轨迹运动，穿过喷嘴后进入外部流场，其综合轨迹如图6c所示。粒子喷出喷嘴后，运动轨迹会发散。

在喷嘴聚焦段内粒子可能与内壁发生碰撞，碰撞后的粒子被反射回轴线方向，粒子的总体分布将遵循统计规律，在中心线附近粒子浓度会偏高。聚焦段内部粒子与内壁碰撞会降低粒子运动速度并对内壁产生冲蚀，如图6d所示。