闸阀启闭过程磨损机理及流场模拟分析

论文摘要

闸阀是油气田井口装置的主要控制部件之一,其性能的优劣直接关系到井口装置的可靠性及钻采施工的安全性。井口闸阀在高温高压工况下,启闭过程存在振动、噪声和内外泄漏,阀板、阀座和阀体内壁出现不同程度的磨损和腐蚀,以及阀板孔扩大、阀座磨损和应力裂纹,个别闸阀出现阀体刺穿现象。本文依据Hutchings摩擦学的磨损理论,结合闸阀实际工况,分析了携带悬浮固体颗粒流体对金属表面的冲蚀机理及金属在H2S、CO2环境中的腐蚀机理,得出了以冲蚀磨损为主的多种磨损与腐蚀磨损的综合作用是导致闸阀快速磨损主要原因的结论。建立了连续、不可压缩、常粘管内流体动力学的质量守恒方程和动量守恒方程,以及闸阀流道的几何模型。在此基础上应用流体动力学数值模拟计算软件FLUENT,采用基于雷诺平均法的标准k-ε两方程涡粘模型,对模型施加了符合实际工况的边界条件进行数值模拟计算。得到了闸阀内部的速度场和压力场,并与理论计算进行了比较,验证了数值模拟计算的结论。最后对闸阀内部流场特性与闸阀快速磨损机理进行分析,得出了小开度下的局部高速低压是闸阀快速磨损的根本原因。在此基础上,提出了闸阀的结构改进方案,并对改进后的流场进行了数值模拟计算,计算结果证明结构改进可以一定程度上减小过流截面的速度以及流体对闸阀的直接冲击。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究课题的背景及意义
• 1.2 研究课题相关的现状及发展方向
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 阀门相关研究的发展趋势
• 1.3 研究的主要内容及论文组织结构
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 论文的组织结构
• 第2章 闸阀磨损机理分析
• 2.1 阀门的强度校核
• 2.2 阀门磨损机理分析
• 2.2.1 冲蚀磨损
• 2.2.2 腐蚀磨损
• 2.2.3 粘着磨损
• 2.2.4 磨粒磨损
• 2.3 阀门磨损的控制
• 2.3.1 冲蚀磨损的控制
• 2.3.2 腐蚀的控制
• 2.3.3 粘着磨损与磨粒磨损的控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 阀门内部流体动力学方程的建立
• 3.1 不可压缩粘性流体真实运动
• 3.1.1 流体的连续性假设
• 3.1.2 流体不可压缩的相对性
• 3.1.3 流体的粘性
• 3.1.4 管内的湍流流动
• 3.2 管内流体运动基本控制方程
• 3.2.1 管内流体的质量守恒方程
• 3.2.2 管内流体的N-S方程
• 3.3 湍流模拟的雷诺平均法
• 3.4 标准κ-ε两方程的涡粘模型
• 3.5 近壁处的壁面函数
• 3.6 本章小结
• 第4章 阀门内部流场的数值模拟和分析
• 4.1 Fluent数值模拟计算简介
• 4.1.1 程序结构
• 4.1.2 网格类型
• 4.1.3 有限体积法
• 4.1.4 边界类型
• 4.1.5 可视化后处理技术
• 4.2 阀门内部流场的数值模拟
• 4.2.1 流体运动控制方程
• 4.2.2 阀门的简化模型
• 4.2.3 CFD数值模拟计算
• 4.2.4 数值模拟计算的验证
• 4.3 阀门流场分布与磨损关系分析
• 4.3.1 阀门内部速度场特性分析
• 4.3.2 速度分布与冲蚀磨损
• 4.3.3 压力分布与气蚀磨损
• 4.4 本章小结
• 第5章 闸阀结构改进
• 5.1 闸阀结构改进方案
• 5.1.1 原结构分析
• 5.1.2 结构改进方案
• 5.2 改进后的数值模拟计算
• 5.2.1 建模及前处理
• 5.2.2 CFD数值模拟计算
• 5.3 改进后的流线及速度场特性分析
• 5.3.1 改进前后速度场分析比较
• 5.3.2 改进后流线特性
• 5.3.3 改进后速度场特性
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢