基于彈塑性的局部腐蝕彎頭有限元分析

王春雷 孫偉楠 于東林

摘 要：對(duì)于彈塑性的局部腐蝕彎頭有限元，利用FLUENT軟件，采用CFD方法對(duì)其進(jìn)行分析，研究在不同腐蝕面積情況下彎頭的剩余強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，腐蝕面積越大，剩余強(qiáng)度越小。研究結(jié)果可以為彎頭制造工藝的改良、重點(diǎn)沖蝕區(qū)域的監(jiān)控提供一定參考。

關(guān)鍵詞：彈塑性;局部腐蝕;彎頭

中圖分類號(hào)：TG17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）28-0056-02

Abstract： For the elastic-plastic local corrosion elbow finite element method， this paper used FLUENT software and CFD method to analyze it， and studied the residual strength of elbow under different corrosion areas. The results showed that the larger the corrosion area was， the smaller the residual strength was. The research results could provide some references for the improvement of elbow manufacturing process and monitoring of key erosion areas.

Keywords： elastic-plastic;local corrosion;elbow

彎頭是化工管道系統(tǒng)中流體改向的重要零件，彎管不同于直管，隨著高速高壓的流體經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)角時(shí)，流體流動(dòng)特性將會(huì)發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角處流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)特性復(fù)雜，造成腐蝕導(dǎo)致管件壁面減薄，對(duì)于管道造成安全隱患[1，2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將精力更多集中在管道內(nèi)部沖蝕過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)，去驗(yàn)證已知結(jié)論，且在傳統(tǒng)力學(xué)模型下進(jìn)行分析，一方面對(duì)于已知結(jié)論的驗(yàn)證研究?jī)r(jià)值不明顯，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)力學(xué)準(zhǔn)則下分析的結(jié)果趨于保守。筆者將分析拓展至彈塑性范圍內(nèi)，對(duì)仍具有使用強(qiáng)度且存在腐蝕缺陷的彎頭進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同腐蝕程度下的彎頭內(nèi)部流體流動(dòng)特性，研究結(jié)果對(duì)于彎頭制造工藝的優(yōu)化具有一定的借鑒價(jià)值。

1 計(jì)算模型

網(wǎng)格的劃分情況是流場(chǎng)分析重點(diǎn)，對(duì)于三維流場(chǎng)分析，網(wǎng)格太細(xì)，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，網(wǎng)格劃分太粗糙，雖然計(jì)算用時(shí)短，但計(jì)算精度得不到保障。筆者進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，對(duì)壁面分別采用了10層、5層網(wǎng)格密度，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在誤差精度允許前提下，選用5層網(wǎng)節(jié)省模擬時(shí)間，網(wǎng)格模型如圖1所示。彎頭內(nèi)通過(guò)高溫高壓流體時(shí)，在彎頭拐角處腐蝕情況嚴(yán)重，但此區(qū)域仍具有剩余強(qiáng)度，具有使用壽命。對(duì)彎頭轉(zhuǎn)角處采取局部腐蝕模擬，用球形深坑模擬點(diǎn)蝕情況，分別建立10、20、30個(gè)深坑，采用相同的邊界條件、相同網(wǎng)格密度進(jìn)行分析研究，數(shù)模及其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)流線圖，A端流入，B端流出，在A端速度最大，隨著流體流入沖擊彎頭轉(zhuǎn)角處，速度大大降低，拐角處速度分布復(fù)雜，有高速流體也有低速流體，說(shuō)明此區(qū)域速度突變情況明顯，對(duì)于拐角處影響較大。不同腐蝕程度的彎頭都有此特性，但隨著腐蝕情況的變化，拐角處速度突變情況稍有差異，點(diǎn)蝕多的彎頭處速度變化更為明顯。流線圖高度還原了流體在管道內(nèi)的流動(dòng)線路，與假設(shè)情況吻合。

圖3為流場(chǎng)內(nèi)部速度云圖，由于點(diǎn)蝕的存在，速度云圖的區(qū)分更為清晰，點(diǎn)蝕處速度突變尤為明顯。從圖中可以看出，點(diǎn)蝕量為30的彎頭處，速度最大，相較于點(diǎn)蝕量為10、20的彎頭速度最大偏差值約為0.6m/s。

對(duì)于反映管道內(nèi)壁力學(xué)性能情況，剪力是一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)多點(diǎn)蝕存在時(shí)，點(diǎn)蝕處為幾何不連續(xù)處，幾何形狀的突變加劇了此處應(yīng)力的變化。應(yīng)力的變化幅度大，說(shuō)明此區(qū)域發(fā)生疲勞破壞的可能性越大，疲勞的產(chǎn)生會(huì)加劇腐蝕處由于壁面變薄引起的穿晶腐蝕，從而導(dǎo)致管道最終斷裂。

3 結(jié)論

①隨著點(diǎn)蝕量的增加，受損三通的強(qiáng)度變得越來(lái)越低，點(diǎn)蝕量越大，彎頭內(nèi)部的最大流體速度、彎頭的最大剪切力越大，彎頭繼續(xù)工作的隱患越大;②彎頭轉(zhuǎn)角處是沖蝕易磨損區(qū)域，此區(qū)域的壁面減薄情況最明顯，應(yīng)該對(duì)彎頭轉(zhuǎn)角處進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免出現(xiàn)管件失效等問(wèn)題;③傳統(tǒng)彎頭制造已是成熟工藝，但傳統(tǒng)工藝中對(duì)于管件易損區(qū)域并而有很好的優(yōu)化措施，對(duì)于彎頭制造工藝的改良迫在眉睫，可以采用不等徑壁厚加工工藝，對(duì)于彎頭易損區(qū)域進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，彌補(bǔ)因局部壁面減薄而造成的潛在危害。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾涌捷.天然氣管道彎頭沖蝕失效機(jī)理研究[J].石油和化工設(shè)備，2011（2）：44-46.

[2]高福慶.管道檢測(cè)的必要性[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1998（1）：40-42.