本實(shí)用新型涉及一種液、氣固兩相流管路沖蝕演示實(shí)驗(yàn)裝置，屬于油氣田開發(fā)流動(dòng)保障技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
實(shí)際生產(chǎn)中地面管線的沖蝕問(wèn)題是一直無(wú)法避免的問(wèn)題，伴隨管線沖蝕所引起的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)有發(fā)生，比如沖蝕引起管線穿孔、造成管線磨損等問(wèn)題。一般油氣井生產(chǎn)過(guò)程中地層都會(huì)出砂，產(chǎn)出的氣體或者流體或多或少帶有一定砂粒，含砂的流體進(jìn)入管道，會(huì)造成管壁磨損、引起管道的振動(dòng)及噪音?，F(xiàn)有管線沖蝕的研究手段有軟件模擬和沖蝕實(shí)驗(yàn)。沖蝕試驗(yàn)裝置按其結(jié)構(gòu)形式分為旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)、管流式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)、噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)、射流式實(shí)驗(yàn)裝置，這些方式的優(yōu)缺點(diǎn)具體如下：
旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易操作、實(shí)驗(yàn)周期短、維修方便等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)：由于試樣不停地旋轉(zhuǎn)，不易于進(jìn)行電化學(xué)分析測(cè)試，更不易控制沖蝕角度，此外旋轉(zhuǎn)造成的渦流會(huì)對(duì)沖蝕速度造成影響故而不能準(zhǔn)確測(cè)量沖蝕臨界速度。
管流式?jīng)_蝕裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠很好模擬管道沖刷的實(shí)際工況，能結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)原理解釋實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)象，實(shí)用性很強(qiáng)；缺點(diǎn)是由于管道占據(jù)空間大，所需試驗(yàn)所需的溶液量大，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且承受的壓力最大只有2Mpa，不能模擬高壓環(huán)境。
噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)可準(zhǔn)確控制流體流速，實(shí)驗(yàn)周期短；缺點(diǎn)是很難精確控制料漿液流的流速，不是循環(huán)系統(tǒng)，且僅在常壓下進(jìn)行。其中，噴射式實(shí)驗(yàn)裝置研究沖蝕是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)沖蝕研究一種主要的實(shí)驗(yàn)方法。
射流式?jīng)_蝕裝置是利用高速流體經(jīng)射流裝置產(chǎn)生的負(fù)壓將砂粒吸入腔室與液體混合，然后經(jīng)噴嘴噴至測(cè)試試樣表面，能很好控制流速和沖蝕角度，為循環(huán)系統(tǒng)，也易電化學(xué)的分析測(cè)試；缺點(diǎn)是沖蝕試樣僅為一薄片，與實(shí)際沖蝕元件不一致，且測(cè)試步驟繁瑣?，F(xiàn)有的沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置沖蝕試樣僅為一薄片，且模擬工況單一，這些與實(shí)際沖蝕情況不符。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種液、氣固兩相流管路沖蝕演示實(shí)驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)一套實(shí)驗(yàn)裝置模擬兩種沖蝕工況，使得更貼近現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置的沖蝕試樣僅為薄片，砂粒與液體混合不均勻，砂粒含量無(wú)法控制，物料不能循環(huán)利用等問(wèn)題，考慮油氣井實(shí)際沖蝕工況，采用閘閥進(jìn)行切換液固兩相流沖蝕與氣固兩相流沖蝕流程。
本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種液、氣固兩相流管路沖蝕演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、砂斗、攪拌器、調(diào)節(jié)閥、一號(hào)閘閥、四通腔室、混砂器、加速裝置、軟管、噴嘴、沖蝕試樣、液固分離器、儲(chǔ)液罐、離心泵、二號(hào)閘閥；
所述四通腔室具有三個(gè)入口和一個(gè)出口，所述液固分離器具有一個(gè)入口和兩個(gè)出口即液體出口、固體出口，所述四通腔室的出口、混砂器、加速裝置、帶有壓力接頭的軟管、噴嘴、沖蝕試樣、液固分離器的入口依次連接；
所述四通腔室的三個(gè)入口分別與調(diào)節(jié)閥、一號(hào)閘閥、二號(hào)閘閥連接，所述空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、一號(hào)閘閥依次連接，所述攪拌器安裝在砂斗內(nèi)，所述砂斗下端與調(diào)節(jié)閥連接，所述儲(chǔ)液罐具有出口與入口，所述儲(chǔ)液罐的出口、離心泵、二號(hào)閘閥依次連接，所述儲(chǔ)液罐的入口與液固分離器的液體出口連接。
進(jìn)一步的是，所述儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)液罐上均設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)。
進(jìn)一步的是，所述液固分離器的固體出口下方設(shè)有盛砂瓶。
進(jìn)一步的是，所述軟管上設(shè)有十字軌道架，十字軌道架的存在是為了固定軟管的位置，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中軟管發(fā)生晃動(dòng)。
本實(shí)用新型具有以下有益效果：本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)一套實(shí)驗(yàn)裝置模擬兩種沖蝕工況，使得更貼近現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置的沖蝕試樣僅為薄片，砂粒與液體混合不均勻，砂粒含量無(wú)法控制，物料不能循環(huán)利用等問(wèn)題，考慮油氣井實(shí)際沖蝕工況，采用閘閥進(jìn)行切換液固兩相流沖蝕與氣固兩相流沖蝕流程。本實(shí)用新型還采用混砂器這種射流結(jié)構(gòu)，能加快初次混合物的流動(dòng)，能夠很好地提高二次混合的效果，經(jīng)加速管段加速進(jìn)而通過(guò)沖蝕噴頭以高速?zèng)_蝕試樣；噴頭所在連接管線上噴頭之前有一段軟管，可實(shí)現(xiàn)多角度沖蝕；本實(shí)用新型克服了傳統(tǒng)噴射沖蝕裝置受流速的影響而使得進(jìn)入混砂器的固體顆粒量無(wú)法控制，避免了循環(huán)過(guò)程中固體顆粒進(jìn)入管路對(duì)管路的損害。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中所示：1-空壓機(jī)，2-儲(chǔ)氣罐，3-砂斗，4-攪拌器，5-調(diào)節(jié)閥，6-一號(hào)閘閥，7-四通腔室，8-混砂器，9-加速裝置，10-軟管，11-噴嘴，12-沖蝕試樣，13-液固分離器，14-儲(chǔ)液罐，15-離心泵，16-二號(hào)閘閥，17-盛砂瓶，18-十字軌道架。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的描述，并不因此將本實(shí)用新型限制在所述的實(shí)施例范圍之中。
如圖1所示，本實(shí)用新型的一種液、氣固兩相流管路沖蝕演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括空壓機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2、砂斗3、攪拌器4、調(diào)節(jié)閥5、一號(hào)閘閥6、四通腔室7、混砂器8、加速裝置9、帶有壓力接頭的軟管10、噴嘴11、沖蝕試樣12、液固分離器13、儲(chǔ)液罐14、離心泵15、二號(hào)閘閥16；
上述裝置中空壓機(jī)1為空氣壓縮機(jī)，為氣固沖蝕流程提供有壓力的氣源；儲(chǔ)氣罐2為儲(chǔ)存氣體的容器，具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用，其上設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)；砂斗3采用圓錐形漏斗；攪拌器4安裝在砂斗3內(nèi)，用于攪拌砂粒；調(diào)節(jié)閥5位于砂斗3下方，其作用是為了用于控制砂粒的加入量；一號(hào)閘閥6、二號(hào)閘閥16均是一個(gè)啟閉件閘板，閘板的運(yùn)動(dòng)方向與流體方向相垂直，閘閥只能作全開和全關(guān)，其介質(zhì)允許時(shí)壓力損失最??；四通腔室7為一個(gè)圓錐體，可實(shí)現(xiàn)初次混合的場(chǎng)所；混砂器8其原理同葉片式混砂機(jī)，具有兩個(gè)混砂槽，依靠電機(jī)的電能帶動(dòng)葉片高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)液體與砂粒的均勻混合，是兩相流混合的2次場(chǎng)所，使得兩相流混合的更均勻；加速裝置9用于加速；軟管10為兩頭帶有壓力接頭且具有耐高壓耐磨損的軟管，其位于噴嘴11之前用于調(diào)節(jié)噴嘴11沖蝕的距離和沖蝕試樣的角度；噴嘴11其作用是提高混合流的流速，使得沖蝕效果更明顯；沖蝕試樣12為變徑的透明塑料管；液固分離器13利用混合液的重力作用將其分離成液體和固體；儲(chǔ)液罐14為存放液體和收集分離液體的場(chǎng)所；離心泵15用于將儲(chǔ)液罐14內(nèi)的液體輸送到四通腔室7內(nèi)；
所述四通腔室7具有三個(gè)入口和一個(gè)出口，所述液固分離器13具有入口、液體出口、固體出口，所述四通腔室7的出口、混砂器8、加速裝置9、帶有壓力接頭的軟管10、噴嘴11、沖蝕試樣12、液固分離器13的入口依次連接；上述連接方式均是通過(guò)管道進(jìn)行連接，可通過(guò)法蘭或變扣接頭與管道連接；
所述四通腔室7的三個(gè)入口分別與調(diào)節(jié)閥5、一號(hào)閘閥6、二號(hào)閘閥16連接，所述空壓機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2、一號(hào)閘閥6依次連接，空壓機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2之間設(shè)有單向閥，避免氣體倒灌空壓機(jī)1，所述攪拌器4安裝在砂斗3內(nèi)，所述砂斗3下端與調(diào)節(jié)閥5連接，所述儲(chǔ)液罐14具有出口與入口，所述儲(chǔ)液罐14的出口、離心泵15、二號(hào)閘閥16依次連接，所述儲(chǔ)液罐14的入口與液固分離器13的液體出口連接，上述連接方式也通過(guò)管道進(jìn)行連接，調(diào)節(jié)閥5、一號(hào)閘閥6、二號(hào)閘閥16均安裝在管道上，直接控制管道的開或者關(guān)。
儲(chǔ)氣罐2、儲(chǔ)液罐14均為壓力容器，為了避免容器內(nèi)壓力超過(guò)最大壓力值，優(yōu)選的實(shí)施方式是，所述儲(chǔ)氣罐2、儲(chǔ)液罐14上均設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)。這樣壓力調(diào)節(jié)閥會(huì)根據(jù)實(shí)際的壓力與容器的最大壓力值來(lái)進(jìn)行釋放壓力，流量計(jì)可記錄下氣體與液體的加入量，便于實(shí)驗(yàn)操作。
為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，優(yōu)選的實(shí)施方式是，所述液固分離器13的固體出口下方設(shè)有盛砂瓶17。這樣盛砂瓶17可收集到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的砂粒，可用于以后的實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。
為了模擬試樣傾斜沖蝕的情況，優(yōu)選的實(shí)施方式是，所述軟管10上設(shè)有十字軌道架18。軟管10可通過(guò)固定扣固定在十字軌道架18上，可通過(guò)改變十字架軌道18中軌道的傾角來(lái)改變軟管10與垂直的角度，實(shí)現(xiàn)噴嘴11沖蝕試樣的多角度問(wèn)題。
本實(shí)用新型的作用流程為：當(dāng)關(guān)閉一號(hào)閘閥6，打開二號(hào)閘閥16，即液固兩相流沖蝕流程，此時(shí)再打開砂斗3下方的調(diào)節(jié)閥5，調(diào)節(jié)至一定的開度，然后開啟離心泵15向管路泵入液體，然后流程正常工作。當(dāng)關(guān)閉二號(hào)閘閥16，打開一號(hào)閘閥6，讓氣體在流程中通5min，然后調(diào)節(jié)氣量，開啟砂斗3下的調(diào)節(jié)閥5，即氣固兩相流沖蝕流程。
液固兩相流沖蝕流程為：1)選擇軟管10與沖蝕試樣的連接形式，這里示例垂直連接，將軟管10固定于十字架軌道18上。
2)關(guān)閉一號(hào)閘閥6，打開二號(hào)閘閥16，開啟離心泵15，調(diào)節(jié)二號(hào)閘閥16的開度，用流量計(jì)觀察是否達(dá)到預(yù)設(shè)的流量；
3)打開砂斗3下的調(diào)節(jié)閥5，調(diào)整至預(yù)設(shè)的砂粒加入速度；
4)在砂斗3的砂粒經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥5進(jìn)入四通腔室7，在儲(chǔ)液罐14內(nèi)的液體被離心泵15泵入四通腔室7內(nèi)，進(jìn)入四通腔室7的液體與砂粒進(jìn)行初次混合，再進(jìn)入混砂器實(shí)現(xiàn)二次混合，然后噴射進(jìn)入加速裝置9，經(jīng)加速進(jìn)入軟管10，軟管10后接噴嘴11，混合流體噴射進(jìn)入沖蝕試樣12中；
5)沖蝕后混合流入液固分離器13進(jìn)行分離，分離的液體進(jìn)入儲(chǔ)液罐14再次利用，分離的砂粒沉降至盛砂瓶17中；
6)重復(fù)4～5的步驟循環(huán)，設(shè)定一定的沖蝕時(shí)間，觀察沖蝕效果，計(jì)量沖蝕速度及流量；
7)重復(fù)做幾組實(shí)驗(yàn)，停泵，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
8)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，拆開沖蝕試樣12做稱量處理，評(píng)價(jià)沖蝕效果。
氣固兩相流沖蝕流程：
1)氣固流程的氣源由空壓機(jī)1將空氣加壓產(chǎn)生，產(chǎn)生的有壓氣體進(jìn)入儲(chǔ)氣罐2，待儲(chǔ)氣罐2的氣量和壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，打開一號(hào)閘閥6(二號(hào)閘閥16開始之前已經(jīng)關(guān)閉)，調(diào)節(jié)閥門開度；
2)調(diào)節(jié)砂斗3下設(shè)有的調(diào)節(jié)閥5控制砂粒的含量；
3)進(jìn)入四通腔室的氣體與砂粒進(jìn)行初次混合，混合后一起再混砂器中充分混合，經(jīng)加速裝置9后使得氣固兩相的速度可看作幾乎接近一樣；
4)氣固混合流經(jīng)噴嘴11噴射進(jìn)入沖蝕試樣12中，對(duì)試樣進(jìn)行沖蝕；
5)經(jīng)過(guò)試樣的混合流經(jīng)液固分離器13分離，氣體從液固分離器13上端出口逃逸，固體分離回收至盛砂瓶17中。
從上述的實(shí)驗(yàn)流程可知：本實(shí)用新型解決了傳統(tǒng)沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置的沖蝕試樣僅為薄片，砂粒與液體混合不均勻，砂粒含量無(wú)法控制，物料不能循環(huán)利用等問(wèn)題，考慮油氣井實(shí)際沖蝕工況，采用閘閥進(jìn)行切換液固兩相流沖蝕與氣固兩相流沖蝕流程。故本實(shí)用新型相比現(xiàn)有沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①本實(shí)用新型能夠再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)兩種沖蝕工況，能較好地反映現(xiàn)場(chǎng)地面管線沖蝕的實(shí)際情況，能實(shí)現(xiàn)流量和含砂量的精確控制，能夠定量對(duì)兩相流沖蝕管路進(jìn)行研究；
②本實(shí)用新型采用閘閥之間的關(guān)閉可自由切換液固或者氣固沖蝕流程，設(shè)有流量計(jì)可對(duì)液體和氣體流量進(jìn)行計(jì)量，采用激光普勒測(cè)速儀記錄噴嘴后的沖蝕速度；
③本實(shí)驗(yàn)裝置中液體或氣體與砂粒混合實(shí)現(xiàn)了2次混合，使得混合效果更加好；
④本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了物料的循環(huán)利用。液固沖蝕流程中沖蝕混合流通過(guò)管道進(jìn)入液固分離器13進(jìn)行液體和固體的分離，分離后液體被輸送到儲(chǔ)液罐14再次利用，分離后的固體砂粒沉積于盛砂瓶17中；氣固沖蝕中沖蝕氣固流通過(guò)管道進(jìn)入液固分離器13分離，氣體經(jīng)分離器上端出口逃逸，固體砂粒沉積于盛砂瓶17中。
⑤軟管10采用兩頭帶有壓力接頭的軟管，可實(shí)現(xiàn)與加速裝置9出口和噴嘴11進(jìn)口的良好密封；考慮軟管10會(huì)因流體通過(guò)來(lái)回振動(dòng)，采用十字軌道架18上的軌道實(shí)現(xiàn)固定；
⑥為更好地觀察沖蝕效果，本沖蝕試樣12為一段變徑的塑料管道，并且此管道管壁薄且透明，沖蝕試樣12上設(shè)有激光普勒測(cè)速儀實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)流體速度的記錄；
⑦為了模擬試樣傾斜沖蝕的情況，通過(guò)改變十字架軌道17中軌道的傾角來(lái)改變軟管10與垂直的角度，實(shí)現(xiàn)噴嘴11與沖蝕試樣12的多角度問(wèn)題。