PDF《基于正交试验设计的压裂管线冲蚀磨损参数效应分析》

2 T n

2 (3) SSi = ? ∑ k n T i i

2 T

2 (4) df df df T i e = + ∑ (5) df m i = ?1 (6) F= SS df SS df i e e i (7) 其中, SS SS SS T i e , , ――总平方和、各因素项平方 和、误差平方和;

x ――各水平组合对应试验指标值;

T ――各水平组合对应试验指标之和;

n ――水平组合数;

Ti ――第i个因素项各水平对应试验指标之和;

ki ――第i个因素项水平数;

df df df T i e , , ――总体自由度、各因素项自由度、 误差自由度;

m ――第i个因素项各水平重复数;

F ――F检验值.

2 试验因素及试验指标选取 鉴于管道弯头部分冲蚀磨损比直管段严重约

50 468 石油科学通报

2018 年12 月第3卷第

4 期倍[19] ,描述弯管形态的参数可作为试验因素,本文 以 管径 [20] 和 弯头圆角半径 因素为例;

除管道 形态外,描述流体性质的参数也应作为试验因素,本 文选取 介质入口流速 和 支撑剂粒径 [21] 因素为 例.因此,本文研究的试验因素组合为:(1)管径;

(2) 弯头圆角半径;

(3)介质入口流速;

(4)支撑剂粒径. 就液体介质对管道的冲蚀效果而言,液体介质的 速度场变化、对管壁的压力场变化以及管壁最大冲蚀 率可作为管壁冲蚀磨损程度的评价指标[22] .则本文选 取 径向流速 、 切向流速 、 管壁总压力 、 管壁 最大冲蚀率 作为试验指标,衡量管线冲蚀磨损程度. 其中,径向流速表征液体介质经过弯头处时受离 心力作用沿垂直于管壁方向的转移能力,数值越小, 液体介质中支撑剂颗粒向管壁方向的冲击能力越弱, 冲蚀效果越弱. 切向流速表征液体介质经过弯头处后受离心力作 用沿平行于管壁方向的转移能力,数值越大,液体介 质中支撑剂颗粒向管壁方向的冲击能力越弱,冲蚀效 果越弱. 管壁总压力表征液体介质对管壁的垂向作用,数 值越大,冲蚀效果越强. 管壁最大冲蚀率即管材单位时间、单位面积受冲 蚀作用损失的材料质量,数值越大,冲蚀效果越强.

3 分析步骤 结合前文选定的试验因素、试验指标及正交试验 设计的基本原理,本文分析步骤如下: 【步骤 1】选定管道冲蚀磨损过程待考察的试验指 标,即径向流速(m/s)、切向流速(m/s)、管壁总压力 (Pa)、壁面最大冲蚀率(kg/(m2 ・s)).选定管道冲蚀磨损 过程中影响试验指标的试验因素为:管径(mm)、圆角 半径(mm)、支撑剂粒径(mm)、入口流速(m/s). 【步骤 2】设定各试验因素的水平,并基于设定因 素、水平设计正交试验表. 【步骤 3】根据正交试验表各行的因素水平安排试 验方案,建立不同管径及圆角半径的钢管模型,调整 冲蚀模型中的离散相粒径及入口流速对应于支撑剂粒 径因素及入口流速因素的各水平数值,应用Fluent软 件仿真模拟求出各实验条件下的试验指标值填入正交 表中. 【步骤 4】对正交试验结果进行均值主效应分析 (如式 1)及方差分析,确定管径、圆角半径、支撑剂 粒径、入口流速等因素对各试验指标影响的显著程度 并排序.

4 案例分析 针对选定的试验因素 管径 、 弯头圆角半径 、 介质入口流速 、 支撑剂粒径 ,案例分析中设定其 因素水平如表

1 所示. 则研究对象为四因素四水平,总试验次数应为

44 =256 次.为缩减仿真试验次数,提高分析效率,可 采取正交试验的设计方法建立正交表,按正交试验原 理则只需进行