邢麗麗 黃芷薇 胡鑫雨

摘要：為分析不同接頭的三通的沖蝕磨損情況，以某公司生產(chǎn)的4種不同接口形狀的液壓三通管接頭為對(duì)象，利用有限元分析軟件對(duì)4種型號(hào)的三通管接頭模型進(jìn)行沖蝕分析，對(duì)比了不同型號(hào)的三通管接頭的沖蝕磨損影響，得到最大沖蝕率最小情況下的一種，為后續(xù)三通管接頭的選用研究提供參考價(jià)值。結(jié)果表明，其中D型三通管接頭的最大沖蝕率相較于其他三種型號(hào)的較高，A、C、H型這3種三通管接頭的最大沖蝕率無(wú)較大區(qū)別，其中H型的最大沖蝕率較低，達(dá)3.51 × 10-3 kg·m-2·s-1。

關(guān)鍵詞：三通管接頭;有限元分析;沖蝕磨損;最大沖蝕率

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Fluid Analysis of Anomalous Tee Joint Based on ANSYS

XING Lili ?HUANG Zhiwei ?HU Xinyu

（Institute of Mechanical Structure Strength and Vibration，Yangtze University，Jingzhou，Hubei， 434000）

Abstract：In order to analyze the erosion and wear of the tee of different joints， four types of hydraulic tee joints with different interface shapes produced by a certain company are used as the object， and the four types of tee joint models are eroded using finite element analysis software. Analysis and comparison of the erosion and wear effects of different types of three-way pipe joints are obtained， and the maximum erosion rate is the smallest， which provides reference value for the subsequent selection and research of three-way pipe joints. The results show that the maximum erosion rate of the D-type tee joint is higher than that of the other three types. The maximum erosion rate of thethree-way pipe joints of A， C， and H-type is not much different. Among them， the maximum erosion rate of the model of H-type is relatively low， reaching 3.51 × 10-3 ?kg·m-2·s-1.

KeyWords： Tee joint; Finite element analysis; Erosive wear; Maximum erosion rate

三通接頭在人們生活中應(yīng)用廣泛，在各個(gè)行業(yè)如石油化工、海洋、機(jī)械工程等都有涉及，主要用在油井固井、壓裂施工作業(yè)的管匯上，是各種液壓管路系統(tǒng)重要連接部分[1-2]。在工作過(guò)程中，由于液體壓力和流速的影響，三通接頭內(nèi)部經(jīng)常受到嚴(yán)重的沖蝕磨損影響[3-4]，且隨著液體壓力變大，沖蝕磨損現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，因此對(duì)三通管接頭的性能要求也變高。沖蝕磨損是油氣行業(yè)不可避免的退化過(guò)程，夾帶的固體顆粒會(huì)撞擊管道內(nèi)表面[5-7]，造成機(jī)械磨損，最終導(dǎo)致設(shè)備失效，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究得到最小沖蝕率的一種接口形狀的三通管接頭，增大裝置壽命，對(duì)后續(xù)的研究有重要意義，并促進(jìn)采油事業(yè)的發(fā)展。

1三通管接頭模型建立

以某公司生產(chǎn)的4種A、C、D、H型的三通管接頭為研究對(duì)象，三通管接頭的材料為碳鋼，4種型號(hào)的三通管接頭通徑都為20 mm，長(zhǎng)為100 mm，高為50 mm，其中A型是一個(gè)圓槽形狀接口，C型是一個(gè)向外的喇叭口形狀接口，D型是一個(gè)向內(nèi)的喇叭口形狀接口，H型是一個(gè)直筒形狀接口，在建模軟件中分別建立A、C、D、H型的三維模型具體見(jiàn)圖1。

2三通管接頭沖蝕分析

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同型號(hào)的三通管接頭進(jìn)行沖蝕分析，導(dǎo)入建立的流道模型，對(duì)不同的模型設(shè)置同樣的分析條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，設(shè)置工況條件，流體經(jīng)X軸方向兩入口流進(jìn)，由Y軸方向出口流出。對(duì)不同的流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于沖蝕磨損現(xiàn)象在管內(nèi)的相貫線結(jié)構(gòu)處較為嚴(yán)重，故需對(duì)管的相貫線結(jié)構(gòu)處和接口處網(wǎng)格細(xì)化。根據(jù)上述工況條件，對(duì)4種模型設(shè)定了進(jìn)出口以及壁面邊界條件。設(shè)定兩個(gè)進(jìn)口的邊界條件為速度進(jìn)口，水流速度為10 m / s，同時(shí)設(shè)定顆粒的密度為1 500 kg / m3，直徑為325 μm，初速度為10 m / s，從兩個(gè)進(jìn)口進(jìn)入三通管接頭內(nèi)，設(shè)定出口邊界的邊界類(lèi)型為outflow，設(shè)置質(zhì)量流量為1 kg/s。壁面條件為wall壁面，顆粒在壁面上的法向及切向反彈系數(shù)定義如式（1）及式（2）所示，壁面條件沖擊角函數(shù)采用分段性方式進(jìn)行定義，參數(shù)值具體見(jiàn)表1，顆粒的粒徑函數(shù)定義為常數(shù)1.8×10?9，速度指數(shù)定義為常數(shù)2.6[8]。

ε_(tái)N=0.993-0.0307α+4.75×〖10〗^（-4） α^2-2.61×〖10〗^（-6） α^3 （1）

ε_(tái)T=0.998-0.0290α+6.43×〖10〗^（-4） α^2-3.56×〖10〗^（-6） α^3 （2）

將所有條件設(shè)置完畢后，進(jìn)行初始化及計(jì)算分析。

3沖蝕結(jié)果分析

經(jīng)分析計(jì)算后得到A、C、D、H型的三通管接頭的沖蝕壁面云圖具體見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出D型的最大沖蝕率相較于其他3種型號(hào)的較高，沖蝕區(qū)域主要分布在進(jìn)水口附近壁面上，A、C、H型這3種的最大沖蝕率無(wú)較大區(qū)別，其中H型的最大沖蝕率較低，達(dá)3.51×10-3 kg·m-2·s-1，沖蝕區(qū)域主要集中在接近出水口壁面上。為解釋這種現(xiàn)象，提取出D型和H型三通管接頭的壁面速度徑線圖具體見(jiàn)圖3。

可以看出顆粒在進(jìn)入D型三通管接頭后，經(jīng)過(guò)進(jìn)口后，由于管接口的喇叭形狀，顆粒頻繁與管壁面發(fā)生碰撞，導(dǎo)致壁面產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕;對(duì)于H型，由于接口處為直筒形狀，顆粒進(jìn)入之后，發(fā)生的碰撞少于前一種情況，對(duì)壁面的沖蝕磨損情況較小。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)4種型號(hào)的三通管接頭沖蝕分析，由于顆粒在進(jìn)入D型三通管接頭后與管壁面的頻繁碰撞，對(duì)壁面產(chǎn)生的沖蝕磨損較為嚴(yán)重，得到相較于A、C、H型這3種三通管接頭，D型三通管接頭的最大沖蝕率較高，在其他3種型號(hào)的三通管接頭中H型的最大沖蝕率較低，達(dá)3.51×10-3 kg·m-2·s-1，為以后三通管接頭的選擇提供了參考價(jià)值。

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