90°彎管沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究

許留云，胡瀧藝，李 翔

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90°彎管沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究

許留云1，胡瀧藝2，李 翔3*

（1. 延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 延安 716000； 2. 西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065； 3. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 北京 100029）

利用FLUENT軟件中的DPM模型，對(duì)含少量固體的90°液體管道內(nèi)的沖蝕磨損情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了90°彎管中沖蝕磨損最嚴(yán)重的部位，并且流體對(duì)彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度的增大而呈線(xiàn)性增加，隨著彎管中顆粒含量的增加而呈線(xiàn)性增加，且彎管的最佳彎曲半徑為=1.5D或=2D。

彎管；沖蝕磨損；數(shù)值計(jì)算

石化行業(yè)作為我國(guó)四大支柱產(chǎn)業(yè)之一，是實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的重要保證。石油化工生產(chǎn)具有高效率、高強(qiáng)度、高風(fēng)險(xiǎn)和周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，安全生產(chǎn)是石化企業(yè)永恒的主題。石油化工企業(yè)中用于運(yùn)輸流體的特殊設(shè)備即管道，廣泛存在于各大企業(yè)，失效機(jī)理復(fù)雜、運(yùn)行的條件相對(duì)苛刻，因此管道的運(yùn)行是否可靠直接影響整個(gè)企業(yè)的安全。

2006年，Brenton S. McLaury, V. Viswanathan等通過(guò)試驗(yàn)證明流體管道沖蝕程度不僅取決于流體的性質(zhì)、顆粒的含量，還與管道的材料、幾何尺寸等相關(guān)，對(duì)于多相流流體，還和流體的流動(dòng)形式相關(guān)，液體的流動(dòng)方向也和管道的沖蝕程度有很大的關(guān)系，并且提出了一種彎管在水平和垂直方向的沖蝕預(yù)測(cè)模型[1]，2009年，Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy等人，針對(duì)碳鋼彎管失效嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行了討論，并對(duì)防止彎管失效的方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2]。2011年，韓志武，張俊秋，施云蛟等人研制了一種射流式氣/固沖蝕測(cè)試裝置，克服了其他試驗(yàn)裝置在使用過(guò)程中存在的流場(chǎng)不夠穩(wěn)定、沖擊角度不能精確控制等缺點(diǎn)[3]。2012年，偶國(guó)富和葉劍等人開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置，還改善了以往的試驗(yàn)裝置中顆粒的沖蝕角度不準(zhǔn)確、試驗(yàn)管道中液體濃度均勻等問(wèn)題[4]。2013年，林楠和蘭惠清等依據(jù)相似原理的知識(shí)搭建沖蝕試驗(yàn)平臺(tái)，并研究了管道中顆粒的軌跡對(duì)管道沖蝕磨損的影響，將試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損與流體中顆粒的入射角度有很大的關(guān)系[5]。

1 流體動(dòng)力學(xué)模型

1.1 理論模型

管道內(nèi)流體含沙的流動(dòng)屬于典型的流-固兩相流，由于流體中顆粒非常稀薄，因而顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響均未加考慮，并在拉格朗日坐標(biāo)系下，采用離散相模型（DPM）模擬管道中流體流動(dòng)。

管道內(nèi)流動(dòng)均屬于典型的兩相流，其連續(xù)方程如下：

所采用的DPM模型中沖蝕速率公式如下：

1.2 計(jì)算方法

利用Fluent14流體分析軟件對(duì)90°彎管內(nèi)的沖蝕磨損情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，湍流方程選擇方程，應(yīng)用三維隱式分離求解器，控制方程的離散采用有限元體積單元法，液-固耦合均采用SIMPLE算法。

2 模擬結(jié)果分析

為了確定90°彎管中沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位，首先對(duì)含有沙粒的水的管道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其邊界條件為，速度入口5m/s，出口邊界為自由出口。

2.1 彎管沖蝕磨損部位預(yù)測(cè)

彎管在基準(zhǔn)仿真條件下的速度云圖、壓力云圖及沖蝕磨損特征圖如圖1-4所示，由圖看出，當(dāng)流體流經(jīng)彎管時(shí)壓力和速度變化都較大，由圖1速度云圖可以看出，在彎管處，流體的速度變化較大，流經(jīng)彎管時(shí)緊貼管道內(nèi)壁和外壁處的速度開(kāi)始發(fā)生變化，相同的時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道內(nèi)壁的路程較短，所以其速度相對(duì)大于彎管外側(cè)處的速度大小。由圖2壓力云圖可以看出，流體的壓力在彎管彎曲的外側(cè)明顯增大，而彎曲的內(nèi)側(cè)呈減小的趨勢(shì)，這是由于流體速度變化導(dǎo)致的。由不可壓縮流體的伯努利方程可以指出在一條流線(xiàn)上的流體質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械能是守恒的：

—位置水頭（重力勢(shì)能項(xiàng)），m；

圖1 彎管的速度云圖

圖2 彎管的壓力云圖

這三項(xiàng)之和就是流體質(zhì)點(diǎn)總的機(jī)械能；稱(chēng)為總的水頭高，這就是著名的伯努利方程。因此當(dāng)流體的動(dòng)能發(fā)生改變時(shí)，流體的壓能隨之改變，且改變的大小幅度相同，且由上述兩幅圖可以得出當(dāng)流體流過(guò)彎頭后約10D長(zhǎng)度時(shí)，管道中流體的壓力和速度又恢復(fù)到初始流動(dòng)狀態(tài)，為了防止流體在管道中的二次波動(dòng)，兩個(gè)彎管之間的距離應(yīng)該大于10倍管徑。

2.2 流體入口速度對(duì)彎管沖蝕磨損的影響

速度是影響彎管沖蝕磨損速率的重要因素，為了研究流體速度和管道沖蝕磨損速率之間的關(guān)系，本節(jié)將選取管道中流體速度分別為1、3、5、7、10、15 m/s共六組數(shù)據(jù)對(duì)彎管的沖蝕磨損情況進(jìn)行數(shù)值模擬，保持離散相體積含量為2%不變。

由圖3和圖4可知，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損主要集中在彎管彎曲的外側(cè)，其中較嚴(yán)重的部位是彎管彎曲的管道外側(cè)的20°~90°范圍內(nèi)，但是彎管外側(cè)70°~90°沖蝕磨損作用最嚴(yán)重。

圖3 彎管外側(cè)的沖蝕速率云圖

圖4 彎管內(nèi)側(cè)的沖蝕速率云圖

由圖5可知，在所研究范圍內(nèi)，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度呈線(xiàn)性增加，且速度越大對(duì)彎管的沖蝕磨損的嚴(yán)重區(qū)域也有所增加。

圖5 彎管中流體速度和沖蝕磨損速率的關(guān)系圖

2.3 顆粒含量對(duì)彎管沖蝕磨損的影響

流體對(duì)管道的沖蝕磨損作用，除了流體流動(dòng)時(shí)對(duì)管道的沖蝕磨損，更重要的是流體中所含的顆粒對(duì)壁面造成的磨損作用，顆粒與壁面之間由于相對(duì)速度不同而造成對(duì)壁面的沖蝕磨損比流體中單相流流體對(duì)壁面的磨損作用更為嚴(yán)重。因此，流體中顆粒含量是影響彎頭沖蝕磨損的重要因素之一，一般情況下，流體中顆粒含量較少，不會(huì)超過(guò)流體體積含量的6%，本節(jié)將選取流體中顆粒含量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%等六組數(shù)據(jù)研究流體中顆粒含量與管道沖蝕磨損速率之間的關(guān)系，同樣本節(jié)選擇離散相模型（DPM模型），流體的入口速度取5 m/s，出口選取自由出口，對(duì)90°彎管進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

由圖6可知，在所研究顆粒含量范圍內(nèi)，管道中流體的顆粒含量增加時(shí)，增加了顆粒與管壁碰撞的機(jī)率，管道沖蝕磨損速率而隨之呈線(xiàn)性增加。

圖6 彎管中流體顆粒含量與管道沖蝕磨損速率的關(guān)系圖

2.4 曲率半徑對(duì)彎管沖蝕磨損的影響

對(duì)于不同曲率半徑的90°彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，流場(chǎng)變化和流體對(duì)管道的沖蝕磨損情況也是不相同的，因此，不同的曲率半徑也是影響流體對(duì)彎管沖蝕磨損速率的因素之一，為了研究彎頭的曲率半徑與管道沖蝕磨損速率之間的關(guān)系，本節(jié)選取彎管的彎曲半徑分別為1D、1.5D、2D、3D、5D、8D、10D等7組數(shù)據(jù)對(duì)彎管進(jìn)行沖蝕磨損的數(shù)值模擬計(jì)算，選擇離散相模型，流體中離散相顆粒含量為2%。

當(dāng)流體速度一定時(shí)，隨著彎管曲率半徑的增加，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損嚴(yán)重區(qū)域有明顯的增加，在所研究曲率半徑范圍內(nèi)，隨著彎管曲率半徑的增加，彎管的沖蝕磨損速率有減小的趨勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中，管徑大的管道所占的空間也大，因此，綜合考慮沖蝕磨損速率、沖蝕磨損面積和空間位置等因素，工業(yè)管道的曲率半徑最佳取值為：=1.5D或=2D(圖7)。

圖7 彎頭彎曲半徑和管道沖蝕磨損速率的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了彎管內(nèi)流體速度、顆粒含量和彎管的彎曲半徑等因素和彎管的沖蝕磨損速率的關(guān)系可得到以下結(jié)論：

（1）流體對(duì)彎管的沖蝕磨損最嚴(yán)重位置不隨流體的速度、流體中顆粒的含量的變化而改變，彎管中沖蝕磨損最嚴(yán)重的位置在彎管彎曲外側(cè)70°~90°之間；

（2）在所研究的流體速度變化范圍內(nèi)，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度的增加而呈線(xiàn)性增加；

（3）在所研究的顆粒含量變化范圍內(nèi)，流體對(duì)彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中顆粒含量的增加而呈線(xiàn)性增加；

（4）彎管的曲率半徑不同會(huì)影響流體對(duì)彎管沖蝕磨損速率，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隨著彎管曲率半徑的增加，彎管的沖蝕磨損速率會(huì)減小，但沖蝕面積有所增加，綜合考慮各項(xiàng)因素，彎管的最佳彎曲半徑為=1.5D或=2D。

參考文獻(xiàn)：

［1］Brenton S. McLaury. Effect of upstream pipe orientation onerosion/ corrosion in bends for annular flow[J]. Corrosion,2006(9): 12-16.

［2］Samarth Tan don, Ming Gao, Rick McNealy et al. EROSION- CORROSION FAILURE OF A CARBON STEEL PIPE ELBOW-A CASE STUDY[J]. CORROSION, 2009(3): 22-26.

［3］ 韓志武, 張俊秋, 施云蛟, 等. 射流式氣/固沖蝕測(cè)試裝置: 中國(guó), CN102288538 A[P]. 2011.

［4］ 偶國(guó)富, 葉健, 章利特, 等. 一種旋轉(zhuǎn)式液固兩相流沖蝕磨損試驗(yàn)裝置的研制[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2013, 24(13): 1705-1710.

［5］ 林楠, 蘭惠清, 趙超. 沖蝕角度和彎頭幾何尺寸對(duì)沖蝕磨損的影響研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013,13(18): 5135-5140.

［6］ 許留云, 李翔, 李偉峰, 裴彥達(dá). 三通管中氣液沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究[J]. 當(dāng)代化工, 2014, 43(8): 1577-1579.

［7］ 許留云, 李翔, 李偉峰, 裴彥達(dá), 王江云. 三通管中不同流體介質(zhì)沖蝕磨損的數(shù)值模擬[J]. 當(dāng)代化工, 2014,43(12): 2718-2720.

Numerical Simulation on Erosion of 90°Elbow

1，2，3*

（1. Department of Chemistry and Chemical Engineering，Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering，Yan’an University，Shaanxi Yan’an 716000，China；2. Xi'an Shiyou University，Shaanxi Xi'an 710065，China; 3. China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China)

In this paper, numerical simulation on erosionof 90° elbow was carried out by FLUENT software, the worst parts of the erosion in 90° elbow were determined. The results show that the pipe erosion rate increases linearly with increasing of fluid flow velocity and the particle content in the pipeline. The optimal bending radius of elbow is 1.5D or 2D.

elbow; erosion; numerical calculation

TQ 018

A

1671-0460（2016）09-2240-04

延安大學(xué)2015年度校級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目“煤化工含固多相流管道的沖蝕破壞機(jī)理研究”項(xiàng)目號(hào)： YDK2015-63。

2016-05-11

許留云（1990-），女，山東聊城人，助教，碩士，研究方向：壓力容器及管道安全工程。E-mail：xuliuyun11@163.com。

李翔（1980-），男，高級(jí)工程師，博士，研究方向：承壓設(shè)備安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn。