管道内液力旋转切割工具设计方法研究

论文摘要

管道是石油石化工程中最常见设备之一,以油水井作业为例,经常会出现井下遇卡、提放困难等事故,需要切割作业进行解卡。目前管道内切割方法主要有机械切割、化学切割、水力切割等方法,其中许多专家针对特殊环境设计了各种工具用于复杂事故的管道切割处理,但对于小直径管道的射流切割处理仍处于技术不完善阶段。因此研究小直径管道内射流切割工具不仅对处理油井事故具有重要意义,而且可将工具应用到管道内喷涂、清淤等工程。本文利用CFX软件对淹没射流条件下的射流喷嘴进行了两相数值模拟研究。数值模拟结果表明锥直形喷嘴的固相颗粒速度比锥形喷嘴提高了 11%,更适合磨料射流切割。适当增加直管段的长度、减小锥度,能够增加固相颗粒的速度,提高切割效率。根据喷嘴、切割管和外层管之间的关系,推导出了相应水力参数分析计算的公式,指导射流切割工具的设计。采用能量法,分析了泵流量、径向间距、转速、流体及磨料对切割深度的影响。根据不同的水力驱动旋转运动原理,设计并研制了两种不同的液力马达,一种为采用螺旋槽流动阻力和冲力来驱动旋转,并用数值模拟方法,对螺旋槽结构和相关水力参数进行分析;另一种采用两个对称盘绕的变径螺旋管压力降来驱动旋转,经理论计算,对螺旋管结构进行设计和水力计算。结果表明两种液力马达均能为工具提供一定的液力扭矩。以27/8’’管径为例,分别设计了采用螺旋槽和螺旋管驱动的两种切割工具,并完成工具的结构设计及相关参数计算,为此类特殊环境管道的水力切割工具设计提供了技术支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 管道主要切割方法
• 1.2.2 新型射流切割工具
• 1.2.3 射流理论研究现状
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 喷嘴设计理论与计算
• 2.1 射流喷嘴的基本理论
• 2.1.1 平面紊动射流基本分布
• 2.1.2 喷嘴压降的计算
• 2.2 固液两相流的数学模型
• 2.2.1 两相流场的基本控制方程
• 2.2.2 湍流流动模型
• 2.3 数值模型的建立
• 2.3.1 模型简化
• 2.3.2 数值模型影响因素分析
• 2.4 锥形喷嘴的数值模拟
• 2.4.1 锥形喷嘴数值模型建立
• 2.4.2 锥形喷嘴数值模拟结果及分析
• 2.5 锥直形喷嘴的数值模拟
• 2.5.1 锥直形喷嘴数值模型建立
• 2.5.2 锥直形喷嘴数值模拟结果及分析
• 2.6 小结
• 第三章 液力旋转马达设计理论及计算
• 3.1 螺旋槽马达设计方法及计算
• 3.1.1 螺旋槽设计原理分析
• 3.1.2 螺旋槽内部流场数值模型
• 3.1.3 螺旋槽水力计算影响因素分析
• 3.2 螺旋管马达设计理论及计算
• 3.2.1 螺旋管设计原理分析
• 3.2.2 螺旋管结构及水力参数
• 3.2.3 螺旋管水力计算影响因素分析
• 3.3 小结
• 第四章 液力旋转切割工具设计
• 4.1 喷射头的结构设计
• 4.1.1 喷射切割工具尺寸设计
• 4.1.2 基于能量法的切割深度计算方法
• 4.1.3 切割参数影响因素分析
• 4.2 螺旋槽式马达结构设计
• 4.2.1 零部件组成及功能
• 4.2.2 部件强度校核
• 4.2.3 低速马达转速控制方案
• 4.3 螺旋管式马达结构设计
• 4.3.1 零部件组成及功能
• 4.3.2 部件强度校核
• 4.4 液力旋转切割工具整体结构设计
• 4.4.1 螺旋槽式工具整体结构设计
• 4.4.2 螺旋管式工具整体结构设计
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要