王 鑫 楊志勇 華 劍

（1.長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，荊州 434023；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 300459）

魚尾管匯在石油作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有著廣泛的應(yīng)用，主要用于壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。隨著使用時(shí)間的增加，魚尾管在外界環(huán)境和高壓工況共同作用下，管匯內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)坑點(diǎn)、破裂等破壞現(xiàn)象，從而減低管匯的使用壽命。針對(duì)這種情況，以ANSYS Workbench為平臺(tái)對(duì)魚尾管匯進(jìn)行數(shù)值模擬，研究魚尾管匯在不同的流速及壓強(qiáng)下的力學(xué)特性，從而找出影響力學(xué)特性的關(guān)鍵因素。

張杰[1]利用ADINA軟件分別對(duì)直流等徑管、異徑管進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，得出了流固耦合作用及流速對(duì)管道振動(dòng)影響明顯的結(jié)論。曹海兵[2]等利用Fluent軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)三通管內(nèi)的流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)T型三通的水頭損失幅度最大，圓弧型三通的水頭損失幅度最小。李璽[3]在泊松流固耦合的理論基礎(chǔ)上創(chuàng)建建立了管道內(nèi)部流體的動(dòng)力學(xué)模型，研究分析了管道的流固耦合受力情況。郝文乾[4]等研究了正弦波紋管在軸向載荷作用下的力學(xué)行為，得到了彎曲耗散能、拉伸耗散能以及壓潰力這3個(gè)參數(shù)的理論表達(dá)式。類似管道研究主要集中在直管、T型管等，對(duì)魚尾管的研究相對(duì)較少[5-7]。因此，本文選用魚尾管為研究對(duì)象，以ANSYS Workbench為數(shù)值模擬工具對(duì)魚尾管進(jìn)行單向和雙向流固耦合數(shù)值模擬，研究了其應(yīng)力及形變情況，并對(duì)比分析了流固耦合的結(jié)果，最后通過(guò)分析流體速度及流體壓強(qiáng)這兩種因素對(duì)魚尾管力學(xué)性能的影響，得到了影響魚尾管力學(xué)性能的主要因素，為魚尾管的安全使用提供了一定的理論依據(jù)。

1 魚尾管結(jié)構(gòu)模型和流道模型建立

根據(jù)當(dāng)前石油鉆采現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本研究選用壓裂現(xiàn)場(chǎng)使用的高壓魚尾管，型號(hào)為SWG-42-2。該尾管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩支管的夾角為120°，管道內(nèi)徑為50 mm，支管的長(zhǎng)度為305 mm，尾管的管體組成固體域，管內(nèi)流動(dòng)的流體為流體域，模型結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，管道的材料采用結(jié)構(gòu)鋼。在建立模型時(shí)，首先建立固體域模型，即在SolidWorks中建立管道的模型，然后在Workbench中的DM模塊填充出流體域，再進(jìn)行相關(guān)設(shè)置計(jì)算。模擬過(guò)程中，選取A、B、C為進(jìn)口，E為出口。

2 流固耦合力學(xué)特性分析

流固耦合分為單向耦合和雙向耦合。單向耦合僅考慮流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，雙向耦合考慮的是流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，因此雙向耦合更符合實(shí)際情況。為了驗(yàn)證單向與雙向流固耦合之間的區(qū)別，進(jìn)行了單雙向流固耦合對(duì)比分析。流場(chǎng)仿真條件為：流場(chǎng)介質(zhì)為25 ℃的水，上方A、B、C這3個(gè)管為入口，入口速度為5 m·s-1，下方的E管為流體靜壓出口，且4個(gè)管口均設(shè)置為固定約束。計(jì)算所得的應(yīng)力結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，單向和雙向耦合計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖和變形區(qū)域基本一致，兩者的最大應(yīng)力值相差很小，幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用效果較大，結(jié)構(gòu)對(duì)流體的作用效果很小。因此，對(duì)該魚尾管進(jìn)行研究時(shí)，進(jìn)行單向流固耦合即可滿足對(duì)主要影響因素的探究。

3 探究魚尾管力學(xué)特性影響因素

3.1 流體速度

為了研究流體速度對(duì)魚尾管耦合作用的影響，利用控制變量法保持其他因素不變，選取不同的流速展開(kāi)研究[8-10]。同時(shí)，為了消除速度變化可能對(duì)結(jié)果造成的影響，速度增量保持為2 m·s-1，控制進(jìn)口流速分別為4 m·s-1、6 m·s-1、8 m·s-1，并使魚尾管的4個(gè)管口保持固定狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著流速的增加，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值變化很小，幾乎可以忽略；應(yīng)力云圖中的應(yīng)力集中位置并沒(méi)有發(fā)生變化，整個(gè)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布趨于一致，并沒(méi)有隨著流速的增加發(fā)生較大變化，說(shuō)明該魚尾管在工作時(shí)流體速度對(duì)耦合場(chǎng)的作用影響較小。

3.2 流體壓強(qiáng)

在考慮力學(xué)特性影響因素時(shí)，流體壓強(qiáng)也是影響魚尾管耦合效果的主要因素。利用Workbench有限元分析軟件進(jìn)行模擬，利用控制變量方法將入口速度設(shè)置為5 m·s-1采取不同的流體壓強(qiáng)值進(jìn)行模擬，分別計(jì)算出流體壓強(qiáng)為12 MPa、14 MPa、16 MPa時(shí)的等效應(yīng)力云圖，計(jì)算完成后得到魚尾管在不同流體壓強(qiáng)下的應(yīng)力和位移云圖如圖5所示。

對(duì)比圖5中3種不同流體壓強(qiáng)的仿真結(jié)果可知，在流體壓強(qiáng)從12 MPa到16 MPa變化時(shí)，流體壓強(qiáng)的大小對(duì)流固耦合作用下的魚尾管應(yīng)力影響較大。從應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力主要集中在兩支管與主管的交匯處，即相貫線位置。

因?yàn)樵搮^(qū)域是高速流體與管壁接觸最多的位置，而且在建立模型時(shí)，內(nèi)腔相貫線處未做圓角處理，所以導(dǎo)致相貫線處出現(xiàn)應(yīng)力集中化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致最大應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力。但在實(shí)際工況中，人們會(huì)對(duì)相貫線處進(jìn)行特殊處理以減小應(yīng)力集中，不會(huì)出現(xiàn)上述情況。從整個(gè)應(yīng)力云圖來(lái)看，魚尾管的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，隨著流體壓強(qiáng)的增加，魚尾管的應(yīng)力值逐漸增大，且變化趨勢(shì)較大。通過(guò)對(duì)比分析可知，流體壓強(qiáng)對(duì)于耦合場(chǎng)的作用較明顯。因此，在管路設(shè)計(jì)中，流體壓強(qiáng)應(yīng)該作為主要因素來(lái)考慮。

4 結(jié)論

本研究以Workbench為仿真平臺(tái)，以魚尾管為研究對(duì)象進(jìn)行影響力學(xué)特性因素研究，得到結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)魚尾管進(jìn)行單向和雙向流固耦合數(shù)值模擬，結(jié)果表明，流體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響大于結(jié)構(gòu)對(duì)流體的影響，因此僅需采用單向流固耦合的方式對(duì)魚尾管展開(kāi)研究即可；

（2）通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，魚尾管在作業(yè)時(shí)的最大應(yīng)力及最大變形位置主要集中在內(nèi)腔相貫線區(qū)域；

（3）通過(guò)對(duì)比流體速度和流體壓強(qiáng)對(duì)力學(xué)特性的影響可以發(fā)現(xiàn)，流體速度對(duì)魚尾管的力學(xué)特性影響較小，影響較大的因素是流體壓強(qiáng)，且隨著壓強(qiáng)的增加，最大應(yīng)力及最大變形變化趨勢(shì)明顯。