房 鑫,王泓暉,田曉潔,劉貴杰

(中國海洋大學(xué) 機(jī)電工程系,山東 青島 266100)

0 引 言

隨著陸地油氣資源的逐步枯竭,儲(chǔ)量多且潛力大的深海油氣資源現(xiàn)已成為能源供給的重要途徑。

現(xiàn)階段,水下生產(chǎn)系統(tǒng)是實(shí)施深海油氣資源開發(fā)和利用的首選方式[1]。但由于深海油氣生產(chǎn)是在高溫、高壓的惡劣條件進(jìn)行的,對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行帶來了極大挑戰(zhàn)[2]。

水下節(jié)流閥是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心部件[3],它在深海油氣生產(chǎn)中,起到控制油氣啟動(dòng)、停止和調(diào)節(jié)生產(chǎn)的關(guān)鍵作用。同時(shí),由于該部件直接面對(duì)高溫、高壓、高速,且攜帶砂礫的油氣資源,使其成為出現(xiàn)失效和故障的重災(zāi)區(qū)。

相關(guān)調(diào)研資料表明,較其他水下閥門,水下節(jié)流閥失效概率更高,約是水下閘閥的6倍[4];而且在某些極端情況下,水下節(jié)流閥閥芯可能會(huì)在10 h～12 h內(nèi)受到砂礫的沖蝕而出現(xiàn)節(jié)流失效現(xiàn)象[5],引發(fā)停產(chǎn)等事故的發(fā)生。為此,對(duì)水下節(jié)流閥的故障診斷進(jìn)行研究,對(duì)保證深海油氣資源的安全生產(chǎn)具有重要意義和價(jià)值。

閥芯的沖蝕故障是水下節(jié)流閥的主要故障類型之一,約占其各種失效類型的28%?，F(xiàn)階段,圍繞著閥芯的沖蝕故障,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了很多的研究工作。例如,MALAVASI S等人[6]、PAGGIARO R等人[7]和戰(zhàn)曉溪等人[8]基于計(jì)算流體力學(xué)方法,探索了閥芯在工作時(shí)的主要失效模式和機(jī)理,重點(diǎn)分析了油氣流動(dòng)參數(shù)對(duì)沖蝕的影響規(guī)律,提出了閥芯和閥套的沖蝕故障診斷模型,取到了較好的診斷效果。除此之外,HAUGEN K等人[9]建立了閥芯的性能退化經(jīng)驗(yàn)公式,并據(jù)此分析了閥芯的沖蝕故障,證明該經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

然而,上述研究主要是針對(duì)陸基節(jié)流閥展開的研究,尚未涉及到水下節(jié)流閥。雖然二者的研究方法可以借鑒,但因?yàn)樗鹿?jié)流閥閥芯沖蝕程度一旦超過其閾值,將會(huì)導(dǎo)致水下生產(chǎn)系統(tǒng)停產(chǎn),造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí),當(dāng)前的研究常使用閥門值進(jìn)行閥芯沖蝕磨損診斷[10],該方法雖然具有一定的有效性,但是難以在沖蝕損傷初期對(duì)其進(jìn)行故障的有效識(shí)別。為此,有必要探求得到能夠有效表征閥芯早期沖蝕退化的特征量,以便據(jù)此安排維護(hù)、維修計(jì)劃,將損失降低到最低。

根據(jù)以上論述,筆者以籠套式水下節(jié)流閥為研究對(duì)象,通過對(duì)其沖蝕退化過程進(jìn)行仿真,從時(shí)域分析和頻域分析兩個(gè)角度出發(fā),得到能夠有效表征其沖蝕故障的特征量,以期為水下節(jié)流閥閥芯的早期沖蝕故障診斷提供依據(jù)和參考。

1 水下節(jié)流閥閥芯沖蝕數(shù)值仿真模型

1.1 研究對(duì)象

為了研究水下節(jié)流閥閥芯的沖蝕故障診斷方法,筆者選取CAMERON公司生產(chǎn)的COMPACT型籠套式水下節(jié)流閥作為具體的研究對(duì)象。

該節(jié)流閥如圖1所示。

圖1 水下節(jié)流閥

該水下節(jié)流閥由執(zhí)行結(jié)構(gòu)和閥體兩部分構(gòu)成,其中,閥芯位于閥體中,它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過上下移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式,調(diào)節(jié)過油孔的流通面積,實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣資源進(jìn)行節(jié)流控制。

由于本次研究側(cè)重于閥芯的沖蝕退化過程,探究的著眼點(diǎn)聚焦于閥體部分,筆者僅建立由閥芯、閥座和閥體構(gòu)成的數(shù)值分析模型。

其相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 閥芯、閥座和閥體的主要材料屬性

1.2 閥芯沖蝕退化仿真分析方法

1.2.1 沖蝕退化模型

由于閥芯的沖蝕退化是由高速流動(dòng)的油氣資源(含砂礫)的沖擊造成的,該退化機(jī)理可通過Tabak off-Grant模型[11]進(jìn)行分析。該模型具有計(jì)算精度高、適用參數(shù)范圍廣等特點(diǎn),被廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)中各類沖蝕率的計(jì)算。

沖蝕率公式如下:

(1)

其中:

(2)

式中:E—沖蝕率;γ1—砂粒的撞擊角度,rad;VP—砂粒的撞擊速度,m/s;RT—切向恢復(fù)比;γ0—砂粒的最大撞擊角度;V1,V2,V3,k2,k12—常數(shù),取值與顆粒性質(zhì)和靶材材料有關(guān)。

由上述公式可知,閥芯沖蝕退化的速率是顆粒形狀、顆粒沖擊角度、材料類型和沖擊速度之間的函數(shù),且該函數(shù)關(guān)系是連續(xù)的。在進(jìn)行有限元仿真時(shí),還需要將該模型離散化,即認(rèn)為沖蝕過程是多個(gè)沖蝕量的累積,且在足夠小的增量步中,模型中各個(gè)變量和系數(shù)是恒定不變的。

根據(jù)有限元理論,沖蝕退化過程可分解到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的沖蝕量上,其具體表達(dá)方式如下:

ei,n=ei,n-1+Δer

(3)

式中:ei,n—第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在第n個(gè)增量步下的沖蝕總量;ei,n-1—第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在第n-1個(gè)增量步下的沖蝕總量;Δer—兩個(gè)增量步之間的沖蝕量,符合式(1)。

1.2.2 閥芯沖蝕退化的形狀特征更新

閥芯產(chǎn)生一定程度的沖蝕退化后,會(huì)導(dǎo)致閥芯過油孔處的幾何形狀發(fā)生改變[12],如圖2所示。

圖2 沖蝕損傷

此時(shí)有兩種更新方式:(1)采用生死單元法,將受損的單元?jiǎng)h除或者作無效化處理;(2)采用節(jié)點(diǎn)位移技術(shù),通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的方式,完成其幾何形狀的更新。

對(duì)于上述第一種方法,容易造成單元之間的不連續(xù),進(jìn)而引起迭代計(jì)算過程不收斂,故而此處采用第二種方式。

同時(shí),如果節(jié)點(diǎn)位移過大,會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格畸變、負(fù)體積等問題,直接導(dǎo)致仿真過程失敗。為此,筆者引入ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),通過網(wǎng)格重畫的方式來解決上述問題。

ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)如圖3所示。

圖3 ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)

1.2.3 油氣流動(dòng)過程仿真

閥芯的沖蝕由油氣流動(dòng)導(dǎo)致,因此還需要對(duì)該流動(dòng)過程進(jìn)行仿真。該油氣資源為地層原油,涵蓋元素多且組成復(fù)雜,是一種典型的多相流。

原油參數(shù)如表2所示。

表2 原油參數(shù)

由于對(duì)多相流運(yùn)動(dòng)的仿真效果好、精度高,近年來,耦合歐拉-拉格朗日方法(coupled Eulerian Lagrangian,CEL)在業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。為此,本研究采用該方法來對(duì)原油流動(dòng)過程進(jìn)行仿真。

其相關(guān)仿真流程如圖4所示。

圖4 原油多相流CEL仿真步驟

由圖4可作如下論述:

(1)建立拉格朗日-歐拉體域(一般為立方體域),確定歐拉體積分?jǐn)?shù);同時(shí),擬定歐拉單元的材料類型,并令該域包裹整個(gè)閥體;

(2)設(shè)定歐拉邊界,指定入口類型和出口類型(壓力邊界、自由邊界等),給定入射速度;

(3)在入口處分配初始材料,否則無法實(shí)現(xiàn)原油的流入;

(4)利用SPH技術(shù)仿真砂礫,完成攜帶砂礫的油氣資源流動(dòng)的模擬過程。

1.2.4 閥芯沖蝕仿真流程

通過在ABAQUS環(huán)境中開發(fā)UMESH-MOTION子程序,并結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù),同時(shí)利用CEL獲得的油氣資源流動(dòng)仿真過程,可以完成對(duì)閥芯沖蝕的模擬和分析。

具體的流程如圖5所示。

圖5 閥芯沖蝕仿真流程

由圖5可知:

(1)在UMESH-MOTION程序中,基于CEL求解結(jié)果,可以獲得顆粒形狀、顆粒沖擊角度、材料類型和相對(duì)沖擊速度等參數(shù);

(2)使用Tabak off-Grant模型計(jì)算沖蝕量以及沖蝕方向;

(3)在每個(gè)增量步中,利用形狀特征更新方法來實(shí)現(xiàn)幾何與網(wǎng)格重構(gòu),并存儲(chǔ)此時(shí)的沖蝕量;

(4)不斷重復(fù)上述過程,直到增量步達(dá)到預(yù)定值或者沖蝕量達(dá)到預(yù)定最大值。

基于以上內(nèi)容,筆者在ABAQUS中建立起針對(duì)閥體且面向閥芯沖蝕過程的有限元仿真模型,如圖6所示。

圖6 有限元仿真模型(基于ABAQUS)

2 水下節(jié)流閥閥芯沖蝕仿真

2.1 仿真工況

由于油氣資源流動(dòng)參數(shù)以及閥芯過油孔的流通面積(閥門開度)等工況參數(shù),會(huì)直接影響閥芯沖蝕退化的過程和閥芯產(chǎn)生沖蝕故障的時(shí)間,筆者將DNV-GL(2015)手冊[13]擬定的油氣流動(dòng)工況,作為實(shí)施模擬的基本參數(shù)。

油氣流動(dòng)工況的參數(shù)如表3所示。

表3 油氣流動(dòng)工況參數(shù)

由于顆粒為沙子,閥芯材料為20CrMnTi,筆者依據(jù)參考文獻(xiàn)[14]的參數(shù)選用原則,并結(jié)合表3給出的工況數(shù)據(jù),來確定出沖蝕率計(jì)算公式中的各個(gè)常數(shù)。沖蝕計(jì)算公式常數(shù)的確定如表4所示。

表4 沖蝕計(jì)算公式常數(shù)確定

筆者將閥門開度調(diào)至100%,在表3中所述的工況作用下,通過仿真分析水下節(jié)流閥的沖蝕故障,將沖蝕部分近似表示為圓形,采用沖蝕圓半徑與過油孔半徑的比值,作為沖蝕退化程度的描述值。

2.2 故障特征信息提取及仿真測點(diǎn)布置

在ABAQUS環(huán)境中,利用構(gòu)建的有限元模型,可以獲得閥門在工作時(shí)的各種力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù),例如,流場內(nèi)某處的壓強(qiáng)和流速、閥門外部某處的振動(dòng)特征等。而隨著沖蝕退化程度的逐步加大,這些數(shù)據(jù)均會(huì)較之前未發(fā)生沖蝕時(shí)發(fā)生一定程度改變,從而反映出當(dāng)前的沖蝕故障。

為此,本文通過數(shù)值模擬的方式,提取閥門運(yùn)行過程中的振動(dòng)特征和流場特征,作為故障特征信息,來分析閥芯的沖蝕故障。

為了獲得上述特征,需要給出仿真環(huán)境下的測點(diǎn)布置方式(簡稱仿真測點(diǎn))。其具體布置原則為:(1)面向流場特征提取的仿真測點(diǎn),主要集中在閥門出口處,采取定深環(huán)狀布置的形式,以盡可能獲得流場相對(duì)全面的壓強(qiáng)和流速數(shù)據(jù);(2)面向振動(dòng)特征提取的仿真測點(diǎn),安置在靠近閥芯的閥門外側(cè),以捕捉由閥芯沖蝕故障引起的特征信號(hào)。

仿真測點(diǎn)的具體布置方式如圖7所示。

圖7 仿真測點(diǎn)布置

2.3 仿真流程

閥芯沖蝕數(shù)值仿真的試驗(yàn)流程如下:

(1)基于給定的油氣流動(dòng)工況參數(shù),將閥門開度調(diào)至100%,進(jìn)行閥芯沖蝕退化仿真,驗(yàn)證構(gòu)建有限元仿真模型的有效性;

(2)將閥門開度調(diào)至最大,存儲(chǔ)各個(gè)仿真測點(diǎn)的數(shù)據(jù);

(3)提取仿真測點(diǎn)特征值,分析在相應(yīng)沖蝕量下的特征值變化情況,并按照敏感性對(duì)特征值進(jìn)行篩選,以構(gòu)建起與早期沖蝕故障之間的聯(lián)系。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 沖蝕有限元仿真模型有效性驗(yàn)證

筆者在某工作站完成該仿真試驗(yàn)。該工作站CPU配置為Intel Xeon-W3175X,內(nèi)存為128 GB,可滿足上述內(nèi)容的數(shù)值模擬要求。在仿真時(shí),筆者設(shè)定了104個(gè)增量步,用于模擬節(jié)流閥閥芯的沖蝕退化過程。

計(jì)算前和計(jì)算后的閥芯形狀特征如圖8所示。

圖8 閥芯形狀特征變化

由圖8可知:經(jīng)過沖蝕模擬后,閥芯出現(xiàn)了較為明顯的沖蝕退化現(xiàn)象。

在實(shí)際生產(chǎn)中,常用節(jié)流閥整體質(zhì)量損失來表征其沖蝕狀態(tài),擬定一個(gè)總的質(zhì)量損失作為閥門的失效標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)需根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)和材料性能,經(jīng)泥漿實(shí)驗(yàn)得出。

根據(jù)該方法,此時(shí)的質(zhì)量損失為2.24 kg,而失效標(biāo)準(zhǔn)為7.2 kg,沖蝕退化程度約為32%。但該方法需將閥門由井口設(shè)備拆下,并提升至水面進(jìn)行測量,這個(gè)過程存在風(fēng)險(xiǎn),并造成經(jīng)濟(jì)損失;同時(shí),該方法也無法對(duì)閥門的沖蝕退化程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

為解決以上的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題,有學(xué)者提出利用閥門流量系數(shù)(Cv)的值,來判斷是否達(dá)到了閥芯的使用壽命[15]。

相關(guān)資料顯示:當(dāng)流量系數(shù)增量ΔCv大約為7時(shí)(閥門全開時(shí)),閥芯被認(rèn)為失效。

Cv的計(jì)算方法如下:

(4)

式中:qv—體積流量;ρ—流體密度;Δp—閥門壓力損失。

筆者利用式(4),計(jì)算得到閥門未發(fā)生沖蝕損傷和沖蝕損傷退化程度為32%時(shí)的Cv值,分別為21.68和29.23,增量為7.55,此時(shí)可認(rèn)為閥門已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的沖蝕故障,達(dá)到了其更換閾值。

通過以上仿真結(jié)果和分析可知:筆者構(gòu)建的有限元模型可以對(duì)閥芯的沖蝕退化過程及沖蝕故障進(jìn)行仿真,且在給定工況下的104個(gè)增量步內(nèi),包含其從未沖蝕損傷到?jīng)_蝕失效的整個(gè)過程。

3.2 沖蝕程度變化及仿真測點(diǎn)特征值分析

在給定工況下,沖蝕程度與增量步之間的映射關(guān)系如圖9所示。

圖9 沖蝕程度變化曲線

由圖9可知:沖蝕程度前期變化較緩,后期變化較快,符合沖蝕退化過程的基本規(guī)律。閥門沖蝕退化故障診斷的關(guān)鍵是通過對(duì)仿真測點(diǎn)的分析,得到能夠表征早期沖蝕退化的特征量。

為了能夠方便論述,此處列出了流場測點(diǎn)位置的標(biāo)識(shí),如圖10所示。

圖10 流場測點(diǎn)位置標(biāo)識(shí)

隨著仿真過程的進(jìn)行,流場測點(diǎn)壓強(qiáng)和流速也發(fā)生相應(yīng)的改變,其壓強(qiáng)變化曲線如圖11所示。

圖11 壓強(qiáng)變化曲線

流速變化曲線如圖12所示。

圖12 流速變化曲線

通過分析圖11、圖12的曲線可以發(fā)現(xiàn):

(1)無論是測點(diǎn)的壓強(qiáng)還是流速,在6×103個(gè)增量步之前,均沒有出現(xiàn)較大的變化幅度,而此時(shí)沖蝕程度在7%左右,已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的沖蝕損傷;(2)曲線只有在9×103個(gè)增量步之后,才出現(xiàn)較為明顯的變化,這時(shí)的沖蝕程度已經(jīng)在20%左右,損傷程度已較為嚴(yán)重。

簡而言之,僅通過此種類型曲線還不能診斷閥芯早期的沖蝕退化故障,還需進(jìn)一步提取數(shù)據(jù)特征。

雖然測點(diǎn)的壓強(qiáng)和流速對(duì)早期沖蝕退化敏感性較低,但是分析圖11和圖12也可發(fā)現(xiàn),在沖蝕退化的后期,8號(hào)測點(diǎn)的速度變化幅度較大,這是因?yàn)樵摐y點(diǎn)距離閥芯沖蝕退化的位置相對(duì)較近,敏感性較高。

實(shí)際上,上述分析主要側(cè)重時(shí)域分析策略,此種策略雖然能夠有效表示某個(gè)參量隨時(shí)間變化的規(guī)律,但是分析過程較為復(fù)雜,難以提取到其細(xì)微的變化特征。頻域分析法可有效彌補(bǔ)上述不足。頻域分析法通過獲取諸如固有頻率和功率譜密度等特征值,表征其與故障程度之間的關(guān)系。由已有的文獻(xiàn)資料可知,功率譜密度是一種可有效表征系統(tǒng)故障的特征量[16]。

為此本研究針對(duì)該仿真測點(diǎn)的速度變化曲線,采取頻域分析法來計(jì)算速度的功率譜密度值,該值可以識(shí)別出各頻率成分功率能量的分布關(guān)系,可以很好地提取到故障特征量。針對(duì)整個(gè)仿真過程,每隔500個(gè)增量步,筆者計(jì)算一次功率譜密度值。

相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 測點(diǎn)速度功率譜密度值變化表

分析表5可知:在5 500個(gè)增量步之前,測點(diǎn)速度功率譜密度值基本保持恒定,在5 500～8 000個(gè)增量步之間,其值呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢,在8 000個(gè)增量步之后,其值呈現(xiàn)大幅變化。

由此可知,在8 000個(gè)增量步時(shí),也就是沖蝕程度在12%左右時(shí),已經(jīng)能夠確定沖蝕發(fā)生,此時(shí)已經(jīng)早于直接觀察測點(diǎn)壓強(qiáng)和流速圖的判斷結(jié)果。

但若要進(jìn)一步完成早期沖蝕故障的分析,還需進(jìn)一步探究5 500～8 000個(gè)增量步之間的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

為此,筆者選擇距離測點(diǎn)8較近的振動(dòng)測點(diǎn),實(shí)施功率譜密度值變化分析,計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 振動(dòng)測點(diǎn)功率譜密度值變化表

分析表6的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):振動(dòng)測點(diǎn)功率譜密度值在4 500個(gè)增量步之前,其數(shù)值維持不變,大約在4 500～8 500個(gè)增量步之間呈現(xiàn)遞增趨勢,在8 500個(gè)增量步之后,呈現(xiàn)突變。相較于測點(diǎn)速度功率譜密度值的變化規(guī)律,振動(dòng)測點(diǎn)遞增區(qū)間更寬,開始發(fā)生變化的起點(diǎn)早于前者。

但由于實(shí)際測量中的干擾因素,此種微小的變化可能會(huì)淹沒于環(huán)境噪聲中,從兩類數(shù)據(jù)在各自遞增區(qū)間的變化幅度看,最早可在6 500～7 000個(gè)增量步時(shí),即沖蝕退化程度在10%左右時(shí),可完成對(duì)閥芯沖蝕故障的識(shí)別。

4 結(jié)束語

筆者以籠套式水下節(jié)流閥為研究對(duì)象,基于數(shù)值仿真的方式,構(gòu)建了水下節(jié)流閥閥芯沖蝕退化的有限元分析模型,得到了能夠有效表征其沖蝕故障的特征量,并在給定工況下,對(duì)該閥芯沖蝕故障進(jìn)行了模擬,得到以下結(jié)論:

(1)筆者使用沖蝕退化模型、CEL仿真方法和UMESHMOTION程序接口構(gòu)建的沖蝕模型,可以完成對(duì)節(jié)流閥整個(gè)服役期沖蝕退化過程的模擬仿真;

(2)筆者使用監(jiān)測測點(diǎn)(振動(dòng)數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù))的功率譜密度值作為特征量,可大概率診斷出沖蝕程度在10%的沖蝕故障。

在之后的研究中,筆者擬進(jìn)一步探索功率譜密度值以外的特征量(如裕度、峭度等)對(duì)水下節(jié)流閥閥芯沖蝕退化過程的敏感性,以進(jìn)一步提高沖蝕故障識(shí)別的程度;同時(shí),將展開水下節(jié)流閥閥芯的沖蝕退化實(shí)驗(yàn),分析并驗(yàn)證相應(yīng)特征量在實(shí)際工況下的有效性。