气固两相流下球阀磨损特性研究
旋塞球阀是钻柱内防喷系统中的关键设备，在气固两相流下球阀易受磨损而失效，并造成严重的井喷事故。为此，将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合，运用FLUENT软件对球阀壁面在气固两相流下的磨损分布情况进行研究，并进一步分析了球阀结构参数对于球阀壁面磨损的影响规律。
旋塞球阀是钻柱内防喷系统中的关键设备，在气固两相流下球阀易受磨损而失效，并造成严重的井喷事故。为此，将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合，运用FLUENT软件对球阀壁面在气固两相流下的磨损分布情况进行研究，并进一步分析了球阀结构参数对于球阀壁面磨损的影响规律。结果表明：当气固两相流流经球阀时，固体颗粒会与气流分离，并在壁面上产生三处磨损集中区;随着球阀开度的减小，球阀壁面磨损量会急剧增大，且阀球内通道壁面上的磨损集中区由块状逐步转化为带状，而球阀出口处的磨损集中区则会逐渐向下移动;球阀流道直径的减小也会使得壁面磨损量增加，但磨损集中区的分布基本不变。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为研究结果可为进一步优化球阀流道结构以减轻其壁面磨损提供理论依据。
0、引言
在石油天然气工业中，旋塞球阀常被用于钻柱内防喷系统，以预防和处理钻柱内井喷，但近年钻井技术的充分发展使得钻具的工作环境越来越恶劣，钻柱常受到含有固体杂质的气流或液流对其的冲蚀而发生磨损，而旋塞球阀作为钻柱的关键设备，其在气固两相流下受磨损而失效的现象尤为严重。
阀门的磨损问题广泛存在于含固相颗粒输送的工程中，因此许多学者针对阀门的这一问题进行了试验研究。Nkleberg等对石油天然气工业上常用的针形节流阀进行了关于冲蚀磨损问题的试验研究，观察并分析了阀门各处在气固两相流下的磨损情况。Wheeler等对近海闸阀在不同内涂层下的壁面磨损情况进行了试验研究，并观察了受到磨损后闸阀壁面的微观形态。Fang等针对电液伺服阀的冲蚀磨损问题建立了物理失效模型，并对模型的准确性进行了实验验证。但是由于实验研究常受到现场条件的限制，且通过实验只能得到阀门磨损的总体质量损失，但得不到具体的磨损集中区单位面积上的磨损速率，而实际生产中阀门的失效形式常为局部的壁面减薄和穿透，因此越来越多的专家学者尝试利用数值模拟方法对各类阀门在含固相颗粒输送过程中的冲蚀磨损问题进行研究。Forder等在CFD软件中建立冲蚀磨损量计算模型，并据此对控制阀的磨损情况进行了预测。Atkinson等自行设计了应用于石油天然气工业的抗蚀阀流体通道，并利用CFD软件分别对其在含砂气流下的磨损情况进行研究。Zhu等应用Fluent软件对针形阀在气固流下的磨损特性进行了研究，并对阀芯进行了流固耦合条件下的位移模拟。
由于钻柱内球阀随钻杆在地层中工作，因此对其开展现场实验较为困难。而为了防止发生因球阀受到磨损而失效所导致的井喷事故，利用数值模拟方法对球阀进行气固两相流下的磨损特性研究很有必要。
1、球阀物理模型及模拟条件确定
流道直径为80mm的球阀在任意开度下的结构及其尺寸如图1所示，为使湍流充分发展，在球阀前后增加了一定长度的直管段。并以开度50%，流道直径80mm作为球阀的标准状态。
图1 任意开度下球阀流道结构示意图
根据生产中的实际情况确定模拟条件，本研究中所选用的连续相介质为甲烷，考虑到流域进出口温度变化较小且气体流速不高，故将连续相介质设置为不可压缩流体，其密度为0.6679kg/m3，动力粘度为1.087×10-5Pa·s;固体颗粒简化为球形，其直径为100μm，密度为2700kg/m3;而球阀为碳钢球阀。
2、数学模型的建立
2.1、气体控制方程及RNGk-ε模型
气体的连续性方程及动量方程分别为：
(1)
(2)
式中，ρ为流体密度，kg/m3;t为时间，s;ui、uj是流体时均速度分量，m/s;p为流体微元体上的压力，Pa;μ为流体动力粘度，Pa·s;Si为动量方程的广义源项。
为使方程组封闭，必须选用合适的湍流模型。RNGk-ε模型作为标准k-ε模型的改进模型，可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、边界层流动等，因此本研究中选用RNGk-ε湍流模型。
2.2、离散相颗粒轨道计算模型
Fluent中的离散相模型(DPM)只考虑气体与颗粒之间的相互作用，而不考虑颗粒间的相互作用，故可用来模拟湍流中稀疏颗粒相的运动。运用离散相模型进行模拟时要控制颗粒体积分数小于10%，但其质量承载率可以大于10%。
基于拉格朗日法的离散相颗粒作用力平衡微分方程在x方向上的形式为：
(3)
式中，up为离散相颗粒的速度，m/s;u为流体流速，m/s;t为时间，s;FD(u-up)为颗粒在单位质量下的曳力;gx为重力加速度在x方向上的分量，m/s2;ρp为颗粒密度，kg/m3;ρ为流体密度，kg/m3;Fx为单位质量下其它作用力在x方向上的分量。
2.3、磨损量计算模型
Edwards等研究了固体颗粒对碳钢和铝的冲刷磨损，并在综合考虑了多种因素的基础上提出了一种磨损速率计算模型，而考虑到本研究中所选用的球阀材料为碳钢，故选用Edwards模型作为磨损量计算模型，其表达式为：
(4)
式中，Rerosion为壁面的磨损速率，kg/(m2·s);Nparticles为与壁面碰撞的颗粒数;mp为颗粒的质量流量，kg/s;α为颗粒与壁面的碰撞角度，rad;f(α)为关于颗粒碰撞角度的函数;υ为颗粒相对于壁面的速度，m/s;b(υ)为关于此相对速度的函数;A为与壁面材料有关的系数;Fs为颗粒的形状系数，尖锐颗粒取1，半圆形颗粒取0.53，圆形颗粒取0.2;Aface为壁面上计算单元的面积，m2。
3、网格划分及边界条件
气体入口采用速度边界条件，大小为20m/s，出口采用自由流边界条件，壁面无滑移。固体颗粒由入口面释放，且其进入速度等于入口处的流体速度。颗粒相在壁面处的边界类型为反弹(reflect)，在出口处的边界类型则为逃逸(escape)。另外，颗粒质量流量设置为16.286kg/s，此条件下固体颗粒体积浓度约为6%，符合Fluent中离散相模型的相关要求。
进行网格划分时，对流体域设置全局单元尺寸，并对球阀内部通道处的流域进行局部加密。而通过对网格及释放颗粒数无关性的研究，最终确定将全局单元尺寸设置为6mm，加密处单元尺寸设置为1.5mm，而由入口释放的颗粒数为15000。
4、结果讨论与分析
4.1、颗粒运动规律及壁面磨损分布情况分析
颗粒对壁面的碰撞是造成其受到磨损的最主要原因，因此其在整个流体通道内的运动轨迹是研究壁面磨损分布的主要依据。而由于在上、下游直管段大部分区域随流运动的颗粒与壁面产生的碰撞很少，因此该区域壁面的磨损量可忽略不计。可以通过对图3中颗粒运动轨迹和图4中垂直于Z轴的截面颗粒质量浓度分布的分析，来研究图2中磨损集中区的成因。以标准状态下的球阀为例，当气固流流经球阀时，球阀壁面会产生三处磨损集中区(图2中的1、2、3)，其中，图2中1区域处位于球阀入口处的阀球外壁，颗粒在此处发生碰撞后的轨迹受球形凸面影响较大，且绝大多数颗粒在碰撞过程中动量损失较大，因此这些颗粒在1区域发生碰撞后会被流速较大的气流直接带入球阀内部，或在上游直管段处与壁面发生二次碰撞后随流进入球阀内部(图3)，而由图4(a)可知，球阀入口附近流域的右侧因颗粒碰撞阀球外壁后反弹而浓度较大;2区域处位于球阀内通道的一侧壁面，该处产生磨损的原因主要是阀球内通道与颗粒运动轨迹形成了一定角度，而无论与阀球外壁碰撞与否，大部分颗粒都在惯性力的作用下于球阀入口处与气流分离，而由图4(b)可知，在球阀入口处与气流分离后的颗粒主要偏向一侧运动，并在该区域壁面上发生碰撞;3区域处位于靠近球阀出口的下游直管段，该处壁面因受到从球阀出口处流出的颗粒的碰撞而产生磨损，这些颗粒同样是在自身惯性的作用下于球阀出口处与气流分离，并在随后与下游段壁面发生碰撞的，而由图4(c)也可知，在球阀出口附近的流域内颗粒偏向一侧聚集，并于下游直管段壁面发生碰撞。
图2 球阀壁面磨损分布图
图3 固体颗粒典型运动轨迹
图4 流道截面颗粒质量浓度分布图
4.2、球阀结构参数对壁面磨损的影响规律
球阀的结构参数包括开度和流道直径两方面。为探究在其它条件不变的情况下开度对于球阀磨损情况的影响，共设置了15%、25%、50%、75%共4种不同的球阀开度。如图5、6所示，球阀开度变化对其壁面磨损的分布和大小均有影响。随着球阀开度的减小，其壁面处的最大磨损速率和总体质量损失均会相应增大，且增大速率随着开度的减小而加快;另外，当开度逐渐减小时，阀球通道内壁上的磨损集中区(图2中2区域)会由块状逐渐转至带状，且下游段磨损集中区(图2中3区域)会逐步向下移动。出现上述的变化是因为当球阀开度减小后，球阀出入口处的过流截面更加狭窄，气流在该处的速度变化更为剧烈，且对固体颗粒的作用更加明显，使其在分离后能以更大的速度冲击阀球通道内壁面，虽然球阀开度的变化会改变颗粒冲击壁面时的攻角并进而影响磨损量，但与气流对颗粒的加速作用相比，攻角变化对于磨损量的影响要小得多。因此，随着球阀开度的减小，壁面磨损速率的最大值和总体质量损失均会增大，且磨损速率最大的区域会出现在阀球内壁上;球阀开度的减小同时意味着阀球内通道和直管段之间的夹角更大，这使得阀球通道内壁沿气流方向上可与固体颗粒发生碰撞的区域更大，故该处集中区会由块状逐渐转化为带状，除此之外，夹角的增大也会使固体颗粒在阀球内壁碰撞后以一个较大的角度发生反弹，而这会使得下一次与颗粒发生碰撞的区域更加靠近球阀出口处，故下游段磨损集中区会逐步向下方移动。
图5 不同开度下球阀壁面磨损分布图
图6 不同开度下球阀壁面磨损量变化曲线
流体通道直径的变化也会对球阀壁面的磨损产生一定的影响。为探究在其它条件不变的情况下流道直径对于球阀磨损情况的影响，共设置了65mm、80mm、100mm、125mm共四种不同的球阀流道直径尺寸。如图7、8所示，球阀壁面的最大磨损速率和总体质量损失均随流道直径的增大而减小，但磨损的分布情况变化不大。这是因为当阀门开度保持不变，而流道直径增大时，阀腔的内部空间会变大，而流体在流经阀球时，其速度剧烈增大的趋势将会减缓，固体颗粒对壁面的冲击强度也会随之减小，故球阀壁面的最大磨损速率和总体质量损失均随流道直径的增大而减小，但流道直径的增加并未改变流体通道的总体构造，故真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为并不会对球阀壁面整体的磨损分布情况产生大的影响。
图7 不同流体通道直径下球阀壁面磨损分布图
图8 不同流体通道直径下球阀壁面磨损量变化曲线
5、结论
1)当气固两相流流经球阀时，其壁面上共存在三处磨损集中区，第一处位于球阀入口处的阀球外壁上，此处颗粒与壁面碰撞后的轨迹受球形凸面影响较大;第二处位于通道内低速区一侧壁面上，这个区域内的磨损主要是由固体颗粒在球阀入口处与气流分离后冲击阀球通道内壁而产生的;第三处磨损集中区在球阀出口处附近，固体颗粒在阀球内壁处发生碰撞并反弹，在自身惯性作用下于球阀出口处与气流分离并冲击壁面，最终造成该区域的磨损。
2)重点研究了球阀结构参数(开度、流道直径)的变化对球阀壁面磨损的影响，球阀开度及流道直径的减小均会使壁面上最大磨损速率和总体质量损失增大，但只有开度的变化才会对磨损分布产生较大的影响，且当开度减小时，位于通道内壁的集中区(图2中2区域)由块状逐渐转变为带状，而球阀出口附近的集中区(图2中3区域)则逐渐向下移动。
3)以本次研究结果为基础，后续将进一步研究通过改进球阀内部流道结构的方法以减轻其壁面的磨损，从而达到提高球阀的使用寿命的目的。
