管線補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉玉洲，王方祥，劉 楠，劉海超，張博淵

(中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司 井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283)

在試油、壓裂和大修等作業(yè)準(zhǔn)備過(guò)程中，需要連接各種管線[1-4]，經(jīng)常出現(xiàn)以下情況：

1) 在開(kāi)工準(zhǔn)備時(shí)，出口罐已擺放好位置，由井口到出口罐需要連接多根地面管線。由于地面管線的長(zhǎng)度不適宜而連接不上。

2) 在試油作業(yè)過(guò)程中，需要經(jīng)常根據(jù)不同的工況更換防噴器和采油樹(shù)。由于原管線的長(zhǎng)度不合適，導(dǎo)致不能將管線順利連接到新的采油樹(shù)上。

3) 在進(jìn)行洗井、壓井、汽化水等作業(yè)時(shí)，需要將水泥泵車連接到進(jìn)口罐和壓井管線之間，同樣由于管線長(zhǎng)短不合適，需要不斷調(diào)整水泥泵車的位置，尤其在倒車過(guò)程中，存在安全隱患。

目前，施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)以上情況時(shí)，需要增加、更換大量短節(jié)及活動(dòng)彎頭，或是用吊車調(diào)整設(shè)備位置，以求順利連接管線。由此可見(jiàn)，由于管線長(zhǎng)短不合適而造成的連接管線不方便的問(wèn)題，不僅增加人工勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)施工周期，增加施工成本，而且存在安全隱患。為了解決由于管線長(zhǎng)短不合適而造成的連接管線不方便的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單、連接可靠、安全有效的管線補(bǔ)償器。通過(guò)數(shù)值模擬，優(yōu)化了該管線補(bǔ)償器中迷宮密封的結(jié)構(gòu)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了工具設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

1 管線補(bǔ)償器的整體結(jié)構(gòu)

管線補(bǔ)償器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括伸縮結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、防塵結(jié)構(gòu)、鎖緊結(jié)構(gòu)等部件。伸縮結(jié)構(gòu)由伸縮管和固定管組成，伸縮管插入固定管中，其后端的臺(tái)階限制最大伸出距離，臺(tái)階上安裝的防塵圈起到刮清固定管孔內(nèi)泥砂、保護(hù)密封組件的作用。密封結(jié)構(gòu)選用非接觸式直通型迷宮密封。鎖緊結(jié)構(gòu)通過(guò)開(kāi)口鎖緊環(huán)被油壬螺帽擠壓進(jìn)固定管的喇叭口內(nèi)，使得開(kāi)口鎖緊環(huán)上鎖緊牙抱緊伸縮管。開(kāi)口鎖緊環(huán)如圖2所示。伸縮管可在固定管內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊平移伸出或縮回，最大伸出距離為600 mm。該管線補(bǔ)償器可直接連接到原有管線中，也可以先連接油壬或其他轉(zhuǎn)換接頭，再連接到采油樹(shù)、水泥泵車等施工設(shè)備上，解決管線長(zhǎng)短不合適的問(wèn)題。

1—伸縮管；2—開(kāi)口鎖緊環(huán)；3—油壬螺帽；4—直通型迷宮密封；5—防塵圈；6—固定管。

2 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 密封結(jié)構(gòu)的選擇

密封結(jié)構(gòu)是管線補(bǔ)償器的關(guān)鍵部件，其密封性能的好壞直接影響到管線補(bǔ)償器工作的可靠性。選擇迷宮密封結(jié)構(gòu)的原因是：

圖2 開(kāi)口鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意

1) 管線補(bǔ)償器在安裝過(guò)程中，需要人工將伸縮管拉伸或縮回，普通密封結(jié)構(gòu)依靠密封圈的彈性緊箍在伸縮管上，摩擦力較大，活動(dòng)伸縮管費(fèi)時(shí)費(fèi)力。迷宮密封采取的是非接觸式的密封結(jié)構(gòu)[5-7]，密封齒和壁面之間具有一定的間隙，所以不存在直接的摩擦，使得被密封件可以輕便的活動(dòng)。

2) 管線補(bǔ)償器輸送的是高壓、高含砂的流體，在伸縮管柱時(shí)避免不了會(huì)有砂子進(jìn)入密封結(jié)構(gòu)，若采用普通密封圈，一旦密封圈與被密封件間進(jìn)入砂子，密封圈會(huì)被快速磨損而失效。由于迷宮密封的密封齒與壁面之間的間隙，在正常的工作狀態(tài)下，即使間隙內(nèi)進(jìn)入砂子，也不會(huì)發(fā)生摩擦損耗，能夠有效延長(zhǎng)迷宮密封的使用壽命。

迷宮密封是通過(guò)在密封組件間隙中設(shè)置由一系列渦流腔組成的“曲折通道”來(lái)耗散能量，即通過(guò)流體流動(dòng)過(guò)程中的沿程摩阻和局部摩阻效應(yīng)，使流體的整體動(dòng)能降低，從而達(dá)到密封或減少泄漏的目的[8]。本研究選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的直通型迷宮密封[9]，密封效果主要與密封通道的長(zhǎng)度和截面形狀(齒形、齒數(shù)、齒尖角、空腔深度)有關(guān)[10-11]。三角形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了降低迷宮密封的泄漏量，根據(jù)管線補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)密封長(zhǎng)度為6.5 mm的迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 三角形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)示意

2.2 迷宮密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用計(jì)算動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)迷宮密封中流體的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以泄漏量最小化為原則優(yōu)化設(shè)計(jì)迷宮密封的結(jié)構(gòu)[12]。

2.2.1 物理模型

直通型迷宮密封的齒形主要為矩形、三角形和梯形，如圖4所示。密封長(zhǎng)度均為6.5 mm，以齒數(shù)為3、空腔深度為1 mm、齒尖角30°為例，建立物理模型，分析不同齒形對(duì)密封效果的影響。

2.2.2 計(jì)算模型

由于迷宮密封內(nèi)的流場(chǎng)為復(fù)雜的湍流流動(dòng)，所以采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在壁面附近進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。

入口邊界條件設(shè)置為壓力入口，工作壓力均為50 MPa；出口邊界為充分發(fā)展的湍流；滿足壁面無(wú)滑移條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

圖4 不同齒形物理模型

利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型在歐拉坐標(biāo)下處理湍流計(jì)算[13-14]，使用基于壓力修正法的SIMPLE算法求解動(dòng)量方程和連續(xù)性方程，利用控制體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，空間離散采用一級(jí)迎風(fēng)逼近格式[15]。模型常數(shù)取值：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 齒形對(duì)密封效果的影響。

通過(guò)數(shù)值模擬獲得不同齒形迷宮密封內(nèi)流場(chǎng)的湍流黏度云圖和速度矢量云圖，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，矩形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)的湍流黏度最大值在迎流齒面的齒頂處，在空腔上部形成速度渦旋。三角形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)的湍流黏度最大值在空腔與節(jié)流間隙的交界面附近。同時(shí)，在三角形齒齒尖處存在較大的動(dòng)能損失。梯形齒迷宮密封空腔內(nèi)部的湍流黏度值在梯形齒的迎流側(cè)較高，流體動(dòng)能主要在梯形齒齒前耗散，在齒背動(dòng)能損失最小；在梯形齒迎流側(cè)的頂尖下游附近也存在動(dòng)能損失；第1個(gè)空腔內(nèi)的動(dòng)能損失最大，后3個(gè)空腔內(nèi)的損失較為平均。通過(guò)比較可知，梯形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)對(duì)流體動(dòng)能的損耗主要發(fā)生在第1個(gè)空腔內(nèi)，三角形齒密封結(jié)構(gòu)的后3個(gè)空腔對(duì)流體動(dòng)能損耗的作用較為平均，且水平較高。

a 湍流黏度云圖(Pa·s)

b 速度矢量云圖(m/s)

不同齒形迷宮密封的泄漏量如圖6所示。由圖6可知，三角形齒更有利于流體能量的耗散，泄漏量最小，密封效果最好。

圖6 泄漏量對(duì)比

2) 齒數(shù)對(duì)密封效果的影響。

以三角形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬獲得不同節(jié)流齒個(gè)數(shù)的湍流黏度云圖，如圖7所示。由圖7可知，節(jié)流齒數(shù)為3的密封結(jié)構(gòu)在節(jié)流間隙的湍流黏度梯度大，在空腔和節(jié)流間隙交界面附近形成速度渦漩。節(jié)流齒數(shù)為2的密封結(jié)構(gòu)在湍流黏度最大值在第1個(gè)齒齒尖的迎流側(cè)，空腔內(nèi)湍流黏度梯度較小，節(jié)流作用不明顯，密封性能較弱。所以，優(yōu)選齒數(shù)為3的三角形迷宮密封結(jié)構(gòu)。

圖7 湍流黏度云圖

3) 空腔深度和齒尖角對(duì)密封效果的影響。

根據(jù)數(shù)值模擬獲得不同空腔深度、不同齒尖角對(duì)迷宮密封泄漏量的影響規(guī)律，如圖8所示。由圖8可知，泄漏量隨著空腔深度的增大而增大，隨著齒尖角的增大先減小后增大。在一定空腔深度條件下，存在使泄漏量最小的齒尖角，且不同空腔深度條件下，最優(yōu)齒尖角不同。空腔深度分別為2.0、1.5和1.0 mm的條件下，泄漏量最小的齒尖角分別為20°、30°和30°。根據(jù)管線補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)選空腔深度為1.0 mm，齒尖角為30°。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于對(duì)管線補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)迷宮密封的優(yōu)化，加工組裝了管線補(bǔ)償器，如圖9所示。

圖8 空腔深度和齒尖角對(duì)泄漏量的影響

圖9 管線補(bǔ)償器

1) 密封性檢驗(yàn)。

將管線補(bǔ)償器連入試驗(yàn)管線，開(kāi)泵并逐漸升壓至50 MPa。壓力每升高10 MPa，保壓30 min，觀察是否發(fā)生流體滲漏，壓力是否發(fā)生變化。壓力達(dá)50 MPa后，保壓60 min。

檢驗(yàn)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)明顯的流體滲漏，說(shuō)明管線補(bǔ)償器的密封效果良好，滿足工作要求。

2) 使用效果評(píng)價(jià)。

該管線補(bǔ)償器在大港油田作業(yè)區(qū)推廣應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，管線補(bǔ)償器操作簡(jiǎn)單方便，兩人配合即可輕松伸縮，管線連接可靠，密封安全有效，可以安全高效地解決由于管線長(zhǎng)短不合適而造成的連接管線費(fèi)時(shí)費(fèi)力、存在安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，縮短施工周期，提高工作效率。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種管線補(bǔ)償器，操作簡(jiǎn)單方便，管線連接可靠，密封安全有效。

2) 利用數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選了三角形齒迷宮密封結(jié)構(gòu)，齒數(shù)為3，空腔深度為1 mm，齒尖角為30°。

3) 管線補(bǔ)償器可解決由于管線長(zhǎng)短不合適而造成的連接管線費(fèi)時(shí)費(fèi)力、存在安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題。