基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验装置的制作方法

本发明涉及气固两相冲蚀试验技术领域，具体涉及一种基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验装置。

背景技术：

目前，在天然气运输中，管道集输是主要的方式，在天然气集输过程中，从气藏采出后的天然气往往夹带着固体颗粒(岩屑、砂砾等)，对集输管道有严重的冲蚀危害，如气体钻井井筒携砂气流冲蚀钻具致钻杆断裂、气体输送管道弯头冲蚀穿孔破裂、排砂管线变径段冲蚀失效等。因此，携砂气流对管道、设备的冲蚀速率一直是人们研究的重点，管道内流动过程是典型的气固两相流，在弯头处流场几何形状突变，造成流场的压力、速度矢量等气动参数均发生突变，夹带的固体随之冲击弯头壁面，产生冲刷磨损现象，恶化后造成弯头穿孔等危害。通过研究天然气携固体颗粒对弯头的冲蚀磨损规律和机理，从而控制弯头的壁厚损失，抑制冲蚀穿孔的发生，减少冲蚀磨损造成的生产事故。

国内外学者对磨损现象的研究从二十世纪六十年代开始进入快速发展时期，学者们研究了攻角、冲击速度、颗粒以及靶材物性等多种因素对冲蚀磨损结果的影响；学者们也提出了多种机理来解释不同工况下的冲蚀磨损现象。近三十年来，国外多所高校搭建了众多气体试验流道从事气固多相流的冲蚀磨损研究，而由于搭建气固两相流实验装置费用昂贵。针对90°弯头的冲蚀磨损研究，目前大部分国内学者通常采用计算机仿真的方式，但计算过程中网格质量、计算步长、收敛程度、耦合方程准确性等都影响了冲蚀磨损量的预测结果，难以适用于现场工况，有待结合试验验证并深入研究。而采用实验装置进行试验中，专利号为EP84101397.2的欧洲专利公开了一种抗腐蚀弯管，其说明书对其测试方式进行了少量描写，但其主要采用的是单一液体进行冲蚀试验，专利号为CN200710067815.1的中国专利公开了一种环道式多相流实验装置，但这种装置主要用于测试多相流冲蚀，依然是以液体为主要研究对象。

目前国内外存在的气体冲蚀装置大都采用单一冲蚀法，如专利号为CN201620086144.8的中国专利，其只能在单位时间内针对单一流向管线进行试验，换其他角度管线的时候需要拆卸实验装置，增加试验时间和设备机械磨损。现有技术暂时还未出现能够在几何尺寸、气动参数与颗粒参数上极大程度与现场工况契合、反映实际工况，且能同时进行多组不同流向试验的气固两相流弯头实验装置。因此，设计研发一套实验装置，对气固两相流弯头冲蚀机理方面的研究具有重要的理论价值和工程意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一套基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀实验装置，在试验过程中可对气田集输系统包括的90°弯头所有流向(水平流动向上、水平流动向下、水平流动向水平、竖直向上流动至水平以及竖直向下流动至水平)进行研究，可不间断连续循环试验，并在试验过程中实时记录试验数据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验装置，包括加注系统、监测系统、试样系统，所述加注部分包括鼓风机、储砂罐和电动加砂器；所述监测系统包括流量调节阀、温度变送器、压力变送器、流量变送器、计算机；所述试样系统包括试验弯头、直管段和回收管线，试验弯头由1#试验弯头、2#试验弯头、3#试验弯头、4#试验弯头、5#试验弯头组成；所述鼓风机连接直管段，直管段上依次安装有流量调节阀、温度变送器、压力变送器、流量变送器，然后在直管段管壁上方安装电动加砂器，电动加砂器连接储砂罐；所述直管段上依次连接1#试验弯头、2#试验弯头、3#试验弯头、4#试验弯头、5#试验弯头，然后通过回收管线连接回储砂罐；所述流量调节阀、温度变送器、压力变送器、流量变送器和鼓风机、电动加砂器均连接到计算机。

进一步的，所述1#试验弯头和2#试验弯头为水平向上连接、2#试验弯头和3#试验弯头为垂直向左连接、3#试验弯头和4#试验弯头为垂直向前连接、4#试验弯头和5#试验弯头为水平向右连接。

进一步的，所述直管段和试验弯头的内直径均为150mm，壁厚3mm，材料为Q235低碳钢管。

进一步的，所述储砂罐为钢制圆桶，直径800mm，高度1000mm，内部储存试验固相介质；上端由筛网笼罩，下端设计为渐收型结构，并在下方设有落砂控制阀。

进一步的，所述筛网为110目。

进一步的，所述直管段与试验弯头的连接采用法兰形式，并设置橡胶垫片。

本发明还包括一种基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验方法，步骤如下：

S1、首先启动鼓风机，经过加速后的气相通过直管段依次流过流量调节阀、温度变送器、压力变送器、流量变送器，计算机在规定时间点从流量调节阀、温度变送器、压力变送器、流量变送器收集数据并储存；

S2、通过计算机采集数据判定气相流场稳定后，开启电动加砂器，储砂罐中的固体颗粒经过落砂控制阀进入直管段，然后固体颗粒作为第二相与气相混合均匀形成紊流，组成气固两相流；

S3、使用气固两相流对试验弯头进行冲蚀磨损实验：

S3.1、气固两相流经直管段流入1#试验弯头，从水平方向向上折流，与1#试验弯头管壁碰撞产生冲蚀磨损，然后离开1#试验弯头，以此测试水平向上冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；

S3.2、从1#试验弯头流出的气固两相流进入竖直直管段，再次充分发展紊流，气固两相流竖直向上流动至水平冲击2#试验弯头，然后离开2#试验弯头，以此测试垂直向上转水平冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；

S3.3、从2#试验弯头流出的气固两相流进入水平直管段，再次充分发展紊流，气固两相流水平向左流动至竖直冲击3#试验弯头，然后离开3#试验弯头，以此测试水平向下冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；

S3.4、从3#试验弯头流出的气固两相流进入直管段，再次充分发展紊流，气固两相流竖直向上流动至水平冲击4#试验弯头，然后离开3#试验弯头，以此测试垂直向下转水平冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；

S3.5、从4#试验弯头流出的气固两相流进入直管段，再次充分发展紊流，气固两相流竖直向上流动至水平冲击5#试验弯头，然后离开3#试验弯头，以此测试水平直角转向冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；

S3.6、从5#试验弯头流出的气固两相流进入回收管线，然后流入储砂罐进行气固分离回收砂粒，形成循环回路，再次投入实验中，直到实验结束。

进一步的，所述步骤S3.2～S3.5中，所述气体在离开试验弯头后，在后续流体的推动下，其动能损失得到补充，能保持与初速度相同速度继续冲击下一个试验弯头，确保冲蚀磨损实验速度参数相同。

整个实验装置由管道和储砂罐为气固两相流提供流动循环回路，供能系统提供流动动力，加砂系统混合固相，弯头与紊流充分发展直管段相结合不断改变气固两相流入射方向来实现试验目的。并安装流量调节阀控制气体流量，储砂罐下部的落砂控制阀控制单位时间内冲蚀颗粒量，温度变送器、压力变送器、流量变送器配合计算机终端收集储存数据。试验弯头与直管段均以法兰形式连接实现灵活拆卸功能。

本发明的优点是：

(1)本发明涵盖了天然气集输管道系统中可能出现的所有90°弯头的流向，在试验弯头内部固相颗粒受到气体拽力和重力的共同作用，能够深入研究在不同重力方向作用下的冲蚀机理；

(2)本实验装置形成了循环回路，砂砾可以经回收后再次对试验弯头进行冲刷磨损，而气体可通过110目筛网分离放空；回收系统不经过鼓风机，使实验装置中的鼓风机叶轮、流量调节阀、各参数变送器不会遭受砂砾磨损的侵害；

(3)实验可完全参照管输流速，同时选择所模拟天然气管道常见物理形状尺寸的砂砾，更真实的模拟现场情况；

(4)电动转机采用220V交流输入，在居民供电系统下便能操作试验，降低实验条件门槛；

(6)除气固两相冲刷弯头试验外，本装置还可以进行管道内涂层防冲蚀能力等试验，功能多变，利用效率高；

(7)试验环道所有部分均可拆卸，便于观察在长时间累计效应下水平、竖直方向受砂砾冲刷磨损情况；且可根据功能需要新增设备设施，具有灵活、可持续性扩展功能使用的特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明另一角度的结构示意图；

图中所示：1、鼓风机；2、直管段；3、流量调节阀；4、温度变送器；5、压力变送器；6、流量变送器；7、电动加砂器；8、储砂罐；9、落砂控制阀；10、筛网；11、1#试验弯头；12、2#试验弯头；13、3#试验弯头；14、4#试验弯头；15、5#试验弯头；16、回收管线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1～图2所示，基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验装置，包括加注系统、监测系统、试样系统，所述加注部分包括鼓风机1、储砂罐8和电动加砂器7；所述监测系统包括流量调节阀3、温度变送器4、压力变送器5、流量变送器6、计算机(图中未画出)；所述试样系统包括试验弯头、直管段2和回收管线16，试验弯头由1#试验弯头11、2#试验弯头12、3#试验弯头13、4#试验弯头14、5#试验弯头15组成；所述鼓风机1连接直管段2，直管段2上依次安装有流量调节阀3、温度变送器4、压力变送器5、流量变送器6，然后在直管段2管壁上方安装电动加砂器7，电动加砂器7连接储砂罐8；所述直管段2上依次连接1#试验弯头11、2#试验弯头12、3#试验弯头13、4#试验弯头14、5#试验弯头15，其中1#试验弯头11和2#试验弯头12为水平向上连接、2#试验弯头12和3#试验弯头13为垂直向左连接、3#试验弯头13和4#试验弯头14为垂直向前连接、4#试验弯头14和5#试验弯头15为水平向右连接，然后通过回收管线16连接回储砂罐8，直管段2与试验弯头的连接采用法兰形式，并设置橡胶垫片；所述流量调节阀3、温度变送器4、压力变送器5、流量变送器6和鼓风机1、电动加砂器7均连接到计算机。

所述直管段2和试验弯头的内直径均为150mm，壁厚3mm，材料为Q235低碳钢管；所述储砂罐8为钢制圆桶，直径800mm，高度1000mm，内部储存试验固相介质；上端由110目筛网10笼罩，下端设计为渐收型结构，并在下方设有落砂控制阀9。

所述试验弯头内径选择DN150mm尺寸，是通过文献调研该尺寸在气田集输管道系统中应用较为广泛，以其作为实验对象具有解决实际工程问题的积极意义。

所述试验弯头规格为弯径比R/D＝1.5的90°标准直角弯头。

在实验装置上，为便于支撑效果，试验弯头和储砂罐8上，可增设辅助支架。

试验过程中可直接采用气田现场流速作试验参数；砂砾质量流量、几何棱角、尺寸、硬度、密度等物理化学性质可采用气田实际参数进行解决特定工程问题的试验，筛选特定目数的砂砾进行纯理论研究，确保实验符合现场情况。本次研究对象采用100目的砂砾，因此采用110目的筛网10，确保砂砾不会溢出储砂罐8。

电动加砂器7内设有电动机和内叶轮，电动机上设有额定档位，通过选择调整档位，来控制实验中的加沙速度。

鼓风机1设有对应的电动机，电动机采用220V额定电压转子电机，为鼓风机提供能量，产生1.00m/s～50.00m/s、高于当地大气压1.4kPa的气流。

基于不同流向的气固两相流90°弯头冲蚀环道实验装置，其实验操作步骤如下：

本装置在使用前，气体流量调节阀3常开，落砂控制阀9常闭，实验时首先开动电动机带动风机，检查整个管道气密性，调节流量调节阀3，在计算机上读取数据得到指定流速，然后保证流量调节阀3稳定，气相主流场稳定后开启电动机，带动电动加砂器7，然后开启落砂控制阀9，控制砂砾流出量，在实验进行过程中落砂控制阀9处于常开状态，实验结束后落砂控制阀9处于关闭状态；电动加砂器7内的电动机带动内叶轮旋转，将固相向下吹动并混合入气相，然后形成气固混合物，开始进行对弯头的冲刷实验；

气固两相流经直管段2流入1#试验弯头11，从水平方向向上折流，与1#试验弯头11管壁碰撞产生冲蚀磨损，然后离开1#试验弯头11，以此测试水平向上冲击90°弯管的冲蚀磨损情况；然后依次通过2#试验弯头12、3#试验弯头13、4#试验弯头14、5#试验弯头15，进行水平向下冲击、垂直向上转水平冲击、水平向下冲击、垂直向下转水平冲击、水平直角转向等5种冲击实验；单次冲击完后的气固两相流通过回收管线16流入储砂罐8，气体通过110目筛网10排空，砂砾再次参与实验，实现循环使用；

实验即将结束时首先关闭落砂控制阀9，其次关闭电动机，等待气相彻底携带管道内固体进入储砂罐8，关闭电动机；然后可拆卸下所有试验弯头，进行壁厚测量进行后处理等数据分析。

在上述步骤中，如果在大颗粒砂砾实验室，砂砾碰撞损坏较多，可在储砂罐8侧面设置加砂管线，在试验中根据需求进行加砂作业，保证实验装置的连续性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。