含砂天然气节流阀冲蚀仿真模拟及结构改进

作者：钱东良; 田辉芳

来源：煤气与热力, 2020, 40(04): 24-46.

DOI：10.13608/j.cnki.1000-4416.2020.04.016

• 油气井地面装置
• 节流阀
• 气-固两相流
• 含砂天然气
• 冲蚀速率

油气井地面装置中,天然气中含有泥砂,管道输送介质为气-固两相流,节流阀内部在气-固两相流(特别是其中的砂粒)持续冲击和切削作用下会产生冲蚀破坏。以锥形节流阀和楔形节流阀为基础研究对象,提出3种改进的结构形式:圆台状阀芯锥形节流阀、圆台状阀芯楔形节流阀、三段式阀芯楔形节流阀。以规格为DN 50 mm的上述5种节流阀为例,采用Pro/E 5. 0软件建立几何模型,应用ANSYS Fluent 14. 5软件进行建模分析,天然气作为连续相,砂粒作为离散相,连续相采用RNG k-ε湍流模型,离散相采用离散相模型,冲蚀速率模型采用ANSYS Fluent14. 5中定义的冲蚀速率公式。得到如下结论:在气-固两相流条件下,节流阀内部的冲蚀破坏不可避免。节流阀内部产生冲蚀破坏的位置为阀芯的迎流壁面处、阀芯与节流孔交接处以及出口管段内壁面处,软件模拟结果与现场冲蚀失效情况一致。3种改进后的阀芯结构在一定程度上均改变了砂粒的运动轨迹,减小了对出口管段内壁面的冲蚀,对节流阀冲蚀控制的主要区域起到一定的保护作用。除采取改进阀芯结构的方法外,还可以通过采用耐冲蚀材料、涂层保护、加装硬质合金套、加装防冲刺短节等措施减缓节流阀内部的冲蚀破坏。