基于ANSYS Workbench的天然氣漸擴(kuò)管沖蝕磨損仿真模擬*

(遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院 遼寧撫順 113001)

邊界擴(kuò)大流動(dòng)是管道集輸系統(tǒng)中常見的流動(dòng)現(xiàn)象，由于管道面積的擴(kuò)張，截面處會(huì)發(fā)生分離、重附和剪切流動(dòng)等現(xiàn)象，從而造成壓力降低和能量損失。漸擴(kuò)管是常見的邊界擴(kuò)張管件，其在能源、動(dòng)力、石化等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。管道輸送經(jīng)常會(huì)夾帶液滴及顆粒等雜質(zhì)，固體顆粒對(duì)管道內(nèi)壁會(huì)造成一定程度的沖蝕磨損。由于漸擴(kuò)管擴(kuò)張角度的影響，擴(kuò)張截面處流場變化較劇烈，沖蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此，對(duì)天然氣集輸系統(tǒng)漸擴(kuò)管進(jìn)行仿真模擬是十分必要的。

國外學(xué)者ENZO、DURST等[1-2]通過建立擴(kuò)張管的相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來研究低雷諾數(shù)流體的流動(dòng)特性，并得出回流區(qū)長度與雷諾數(shù)之間線性正相關(guān)的結(jié)論。HAN和JAKE[3]對(duì)高雷諾數(shù)平板流動(dòng)進(jìn)行分析，得到擴(kuò)散比與回流區(qū)之間的聯(lián)系。OLIVEIRA和PINHO[4]利用FDM方法對(duì)軸對(duì)稱管道突擴(kuò)層進(jìn)行了模擬分析，將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明數(shù)據(jù)擬合較好。國內(nèi)學(xué)者周在東等[5]運(yùn)用CFD軟件對(duì)突擴(kuò)管壓力變動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究并得到相關(guān)變動(dòng)曲線；尹則高等[6]運(yùn)用CFX軟件對(duì)管內(nèi)流場及水頭損失進(jìn)行了仿真模擬，通過水頭損失繼而判定管道輸送效率。

上述學(xué)者對(duì)于擴(kuò)張管件的研究以突擴(kuò)管為例，模型主要針對(duì)低雷諾數(shù)流體，研究內(nèi)容以力學(xué)分析為主，而對(duì)漸擴(kuò)管流場分析及沖蝕規(guī)律的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道，突擴(kuò)管與漸擴(kuò)管流場之間的相關(guān)關(guān)系尚不明確。因此，本文作者運(yùn)用CFD軟件對(duì)漸擴(kuò)管及突擴(kuò)管的應(yīng)力分布、流動(dòng)特性及沖蝕效果進(jìn)行仿真對(duì)比分析。在此之上，通過改變流動(dòng)的物性參數(shù)，進(jìn)一步研究漸擴(kuò)管沖蝕磨損的變動(dòng)規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)石化管線設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

1.1 多相流模型

管道流動(dòng)介質(zhì)由CH4、H2S及砂石顆粒混合物組成，定義CH4、H2S為連續(xù)相，顆粒為離散相。由于流動(dòng)時(shí)連續(xù)相與離散相不斷進(jìn)行摻混，但沒有明顯的重構(gòu)界面。因此，選用Euler多相流模型進(jìn)行仿真模擬[7]。離散相采用Lagrange法進(jìn)行軌跡跟蹤。

1.2 湍流模型

由于天然氣黏度較低，流速較快。經(jīng)計(jì)算，雷諾數(shù)Re為264 566，判定流態(tài)為湍流。因此，采用Realizablek-ε湍流模型，建立控制方程[8]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；Gk為速度引起的湍動(dòng)能；vi為流體i方向分速度，m/s；Gb為浮升力引起的湍動(dòng)能；YM為氣體膨脹耗散系數(shù)；C1ε、C2ε為常數(shù)，分別取1.42、1.68；αk、αε為湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，分別取1.0、1.2；S為變形張量。

1.3 沖蝕模型

顆粒沖擊壁面，會(huì)在壁面留下沖擊坑，眾多學(xué)者通過研究該現(xiàn)象來詮釋沖蝕磨損的機(jī)制[9-11]。由于流動(dòng)是連續(xù)的，后續(xù)顆粒的沖擊使得沖擊坑進(jìn)一步擴(kuò)大，并且在沖擊坑附近形成一定的堆積材料，一定程度時(shí)堆積材料會(huì)附著在管到內(nèi)壁面上，減輕后續(xù)顆粒的沖擊。因此，沖蝕速率會(huì)呈現(xiàn)先增加后減小的倒“U”型趨勢。顆粒沖蝕過程如圖1所示。

圖1 漸擴(kuò)管內(nèi)壁面沖蝕磨損過程示意圖Fig 1 Schematic diagram of erosion and wear process on the inner surface of progressive diffuser

沖蝕磨損的量化標(biāo)準(zhǔn)通常用單位時(shí)間內(nèi)顆粒對(duì)管材造成的質(zhì)量損失，即沖蝕速率進(jìn)行定義[12]。Fluent-DPM模型中，沖蝕速率計(jì)算公式如下。

(5)

式中:mp為顆粒質(zhì)量,kg；c(dp)為徑函數(shù)，取1.8×10-9；v為顆粒流速，m/s；b(v)為速度指數(shù)，取2.6；Aface為壁面網(wǎng)格函數(shù)；f(α)為沖擊角函數(shù)。沖擊角函數(shù)采用線性分段函數(shù)[13]來表述。

表1給出了沖擊角度及系數(shù)。由于顆粒撞擊壁面后會(huì)發(fā)生反彈現(xiàn)象，因此沖擊速度會(huì)沿法向與切向進(jìn)行分解。采用FORDER等[14]試驗(yàn)得到的彈射系數(shù)恢復(fù)方程對(duì)沖擊速度進(jìn)行定義，恢復(fù)方程反彈恢復(fù)系數(shù)如表2所示。

表1 沖擊角度及系數(shù)

表2 沖擊-反彈恢復(fù)系數(shù)

1.4 流固耦合控制方程

管內(nèi)流場由流體場和固體場組成，為研究兩流場之間的相互作用，建立流固耦合方程。發(fā)射端發(fā)送流體場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過耦合交界面?zhèn)鬟f給固體場進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)果再通過交界面?zhèn)骰匕l(fā)射端，由此實(shí)現(xiàn)相間耦合[15]。耦合面數(shù)據(jù)傳遞過程如圖2所示。

圖2 耦合面數(shù)據(jù)傳遞過程示意圖Fig 2 Diagram of data transfer process on coupling surface

由于顆粒沖擊變形較小，可以忽略其變形對(duì)流體的影響。因此，采用單相耦合(弱耦合)分析。耦合計(jì)算采用順序迭代法，即流體場計(jì)算結(jié)果直接由耦合面加載到固體場，從而求得共同作用下的收斂解。

流固耦合控制方程由以下3部分構(gòu)成:

(1)流體控制方程

(a)質(zhì)量控制方程

(6)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為流體i方向分流速，m/s；Sm為源項(xiàng)。

(b)動(dòng)量守恒方程

(7)

式中:p為靜壓，Pa；τij為應(yīng)力張量；gi為i方向重力體積力，N；Fi為外部體積力，N。

因該問題無溫度變化。因此，忽略能量守恒方程。

(2)固體控制方程

由于固體顆粒服從牛頓第二定律。因此，守恒方程如下：

(8)

式中:ρs為固體密度，kg/m3；σs為柯西應(yīng)力張量；ds為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣?，m/s2。

(3)流固控制方程

流體相與固體相數(shù)據(jù)在耦合面?zhèn)鬟f時(shí)，需要滿足應(yīng)力、位移等參數(shù)相等或守恒的原則，即：

(9)

式中:下標(biāo)f表示流體;s表示固體。

2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型

根據(jù)GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，漸擴(kuò)管件管徑在5～150 mm，擴(kuò)張角度在5°～20°為宜。因此，設(shè)定漸擴(kuò)管入口段管徑為50 mm，出口管徑為100 mm，壁厚為3 mm，擴(kuò)張角為10°。為保證流動(dòng)介質(zhì)充分流動(dòng)，取10D作為管長。重力加速度垂直流體且方向向下。管道幾何模型如下圖3所示。

圖3 漸擴(kuò)管幾何模型(mm)Fig 3 Geometric model of gradual expansion pipe (mm)

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Sweep方法對(duì)漸擴(kuò)管進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。由于漸擴(kuò)管各部分結(jié)構(gòu)相差較大，因此選用分塊網(wǎng)格劃分法，并且在擴(kuò)張段管喉部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。以沖蝕速率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，最終確定網(wǎng)格數(shù)為85 440。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 漸擴(kuò)管網(wǎng)格劃分示意圖Fig 4 Schematic diagram of gradual expansion pipe meshing

3 物性參數(shù)及邊界設(shè)定

3.1 物性參數(shù)

管道內(nèi)連續(xù)相介質(zhì)為CH4與H2S混合物，體積分?jǐn)?shù)比為4/1；離散相為砂石顆粒。介質(zhì)物性參數(shù)如表3所示。

表3 物性參數(shù)

3.2 邊界設(shè)定

連續(xù)相入口采用Velocity-inlet，速度為15 m/s，湍動(dòng)強(qiáng)度為3%，出口邊界為Outflow，出流率為100%，壁面采用無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面；離散相入口采用Surface法向射流條件，射流速度為5 m/s，顆粒質(zhì)量流率為0.1 kg/s，粒徑為200 μm,顆粒進(jìn)出口設(shè)置Escape，壁面設(shè)置Reflect。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 靜力學(xué)分析

為了分析管道結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)，運(yùn)用Static Structural軟件對(duì)管道進(jìn)行靜力學(xué)分析。由于突擴(kuò)管與漸擴(kuò)管工業(yè)用途相近，因此對(duì)2種管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。為保證模擬的準(zhǔn)確性，突擴(kuò)管與漸擴(kuò)管設(shè)定相同的幾何參數(shù)，即突擴(kuò)管進(jìn)口管段(細(xì)管段)D1=50 mm，出口管段(粗管段)D2=100 mm，擴(kuò)張比e=D2/D1=2。

突擴(kuò)管與漸擴(kuò)管進(jìn)、出口處設(shè)置固定約束，防止外力作用發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象。管道內(nèi)壁面施加3.2 MPa的均勻壓力載荷。靜力分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 等效應(yīng)力圖Fig 5 Equivalent stress distribution cloud chart (a) gradual diffuser;(b) sudden diffuser

圖5為漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管管道等效應(yīng)力分布云圖。由圖5(a)可知，漸擴(kuò)管最大等效應(yīng)力為58.234 MPa，位于出口管段內(nèi)側(cè)；喉部管段等效應(yīng)力變化梯度較大，喉部與出口管段相連處等效應(yīng)力明顯較高。通過分析可以得出，漸擴(kuò)管喉部靠近出口管段處應(yīng)力集中。但由于壓力載荷在管道許可強(qiáng)度范圍內(nèi)，故不會(huì)對(duì)管道造成安全上的影響[17]。由圖5(b)可知，突擴(kuò)管最大等效應(yīng)力為100.76 MPa，位于突擴(kuò)管進(jìn)口管段與出口管段交界處的上壁面。等效應(yīng)力最小值位于進(jìn)口管段，為6.186 7 MPa。通過對(duì)比分析可得，相同條件下，突擴(kuò)管最大等效應(yīng)力是漸擴(kuò)管的1.73倍，并且最大應(yīng)力區(qū)域大相徑庭。因此，在一定條件下，突擴(kuò)管承載的壓力載荷較大，受應(yīng)力破壞的概率大于漸擴(kuò)管。

圖6為漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管管道總體變形位移圖?？芍瑵u擴(kuò)管最大變形位移位于擴(kuò)張管段與出口段交界處，為10.57 μm；突擴(kuò)管最大變形位移位于進(jìn)口管段與出口管段交界處，最大變形位移為18.681 μm。通過對(duì)比分析可得，相同條件下，突擴(kuò)管變形位移是漸擴(kuò)管的1.77倍，即突擴(kuò)管發(fā)生位移變形較為嚴(yán)重。但由于變形位移量級(jí)較小，故位移變形可以忽略不計(jì)。

圖6 總體變形分布云圖Fig 6 Overall deformation distribution cloud chart (a) gradual diffuser;(b) sudden diffuser

4.2 沖蝕磨損分析

由于漸擴(kuò)管與突擴(kuò)管結(jié)構(gòu)相差較大，為更好地研究漸擴(kuò)管的沖蝕磨損規(guī)律及2種管道沖蝕規(guī)律的不同，進(jìn)行仿真對(duì)比分析。在對(duì)比分析的基礎(chǔ)之上，通過改變物性參數(shù)，進(jìn)一步研究漸擴(kuò)管沖蝕磨損規(guī)律。

4.2.1 沖蝕磨損對(duì)比分析

為保證漸擴(kuò)管與突擴(kuò)管對(duì)比分析的有效性，設(shè)置相同的流場條件，即連續(xù)相入口流速皆為10 m/s，離散相顆粒采用入口壁面法向射流方式，射流速度為5 m/s，顆粒粒徑為200 μm，質(zhì)量流率為0.5 kg/m3。

圖7為漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管管內(nèi)流體流線圖。由圖7(a)可知，漸擴(kuò)管內(nèi)流體近似呈現(xiàn)層狀分布，在擴(kuò)張段與出口管段交界處附近流體發(fā)生滯留現(xiàn)象，但滯留區(qū)域較小。由圖7(b)可知，突擴(kuò)管管壁與主流區(qū)域之間形成漩渦，流體流速沿軸向方向逐漸增大，并且呈現(xiàn)拋物線分布。

圖7 流線圖Fig 7 Streamline (a) gradual diffuser;(b) sudden diffuser

圖8為漸擴(kuò)管和突擴(kuò)管中顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖9為沖蝕磨損云圖。由圖8(a)及圖9(a)可知，漸擴(kuò)管內(nèi)顆粒由進(jìn)口管段流經(jīng)擴(kuò)張段進(jìn)入出口管段，由于擴(kuò)張角度緩慢變化的影響，降低了顆粒的慣性力，因此顆粒受重力的影響撞擊到出口管段，造成出口管段嚴(yán)重的沖蝕磨損，最大沖蝕速率為4.61×10-6kg/(m2·s)。沖蝕顆粒撞擊壁面后發(fā)生反彈現(xiàn)象，進(jìn)而撞擊出口端面，造成出口端面的磨損。由圖8(b)及圖9(b)可知，突擴(kuò)管最大沖蝕速率為2.71×10-6kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域主要位于進(jìn)口管段，造成該現(xiàn)象的原因是進(jìn)口管段管徑較小，沖蝕顆粒受連續(xù)相流體湍動(dòng)的影響，反復(fù)地撞擊管道內(nèi)壁面，造成進(jìn)口管段嚴(yán)重的沖蝕磨損。由于出口管段的擴(kuò)張作用，管徑瞬間增大，沖蝕顆粒由于慣性力的作用隨天然氣湍流流動(dòng)，最終沿中軸線流出。顆粒并未撞擊到出口管段壁面，因此出口管段沖蝕速率接近于0。通過對(duì)比分析可以看出，相同條件下，漸擴(kuò)管最大沖蝕速率是突擴(kuò)管的1.7倍，即漸擴(kuò)管沖蝕較為嚴(yán)重。

圖8 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig 8 Particle trajectory (a) gradual diffuser; (b) sudden diffuser

圖9 沖蝕磨損云圖Fig 9 Erosion wear cloud chart (a) gradual diffuser; (b) sudden diffuser

4.2.2 入口流速對(duì)漸擴(kuò)管沖蝕效果的影響

管道入口流速的確定受管線沿程壓力損失的影響，兩者之間呈現(xiàn)正比例變化關(guān)系，流速過大在一定程度上也會(huì)加快流體對(duì)管內(nèi)壁的沖刷速度[18]。根據(jù)GB50251-2015標(biāo)準(zhǔn)[16]可知，天然氣入口流速應(yīng)小于25 m/s，從而降低因流速過高所造成的負(fù)面影響，但流速較低會(huì)降低輸送效率。因此，應(yīng)該綜合考慮各因素，進(jìn)而確定恰當(dāng)?shù)牧魉賉19]。

根據(jù)以上的分析，設(shè)定沖蝕顆粒粒徑為200 μm，質(zhì)量流率為0.1 kg/s，選取5種入口流速進(jìn)行綜合比較。沖蝕云圖如圖10所示。

圖10 不同入口流速的沖蝕分布云圖Fig 10 Erosion distribution of different inlet velocities

圖10(a)為流速5 m/s條件下沖蝕云圖。可知，最大沖蝕速率為9.28×10-7kg/(m2·s)，磨損區(qū)域位于出口管段下表面及出口處附近，下表面磨損區(qū)域呈現(xiàn)“橢圓形”，出口處磨損區(qū)域呈現(xiàn)“U”形。圖10(b)、(c)為流速10、15 m/s條件下沖蝕云圖，可知，最大沖蝕速率皆為9.94×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域與5 m/s時(shí)相同。圖10(d)為流速20 m/s條件下沖蝕云圖，最大沖蝕速率較15 m/s時(shí)略微減小，為9.11×10-7kg/(m2·s)，但下表面沖蝕區(qū)域明顯擴(kuò)大，與出口處沖蝕區(qū)域逐漸合并。圖10(e)為流速25 m/s條件下沖蝕云圖，該流速的沖蝕最為嚴(yán)重，最大沖蝕速率為9.95×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域由出口管段下表面中部延伸至出口處。

圖11示出了入口流速對(duì)沖蝕的影響規(guī)律，可見隨入口流速增加，漸擴(kuò)管最大沖蝕速率先增大后減小再增大，10 m/s與15 m/s沖蝕速率相同，20 m/s沖蝕速率最低但沖蝕區(qū)域最大，為保證輸送效率及減小損失，確定15 m/s時(shí)為最佳流速。

圖11 不同流速下的最大沖蝕速率曲線Fig 11 Maximum erosion rate curve at different flow velocities

4.3 顆粒粒徑對(duì)漸擴(kuò)管沖蝕效果的影響

取入口流速為15 m/s，顆粒質(zhì)量流率為0.1 kg/s，顆粒粒徑分別取100、200、300、400、500 μm對(duì)漸擴(kuò)管沖蝕情況進(jìn)行綜合比較分析。

圖12為不同沖蝕顆粒粒徑的沖蝕分布云圖。

圖12 不同沖蝕顆粒粒徑的沖蝕分布云圖Fig 12 Erosion distribution cloud charts of different particle sizes

如圖12(a)所示，顆粒粒徑為100 μm時(shí)，最大沖蝕速率為9.15×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域主要位于漸擴(kuò)管出口管段下表面。如圖12(b)所示，顆粒粒徑為200 μm時(shí)，最大沖蝕速率為9.94×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域面積減小，但新增出口管段出口處沖蝕，區(qū)域呈現(xiàn)“U”形分布。如圖12(c)所示，顆粒粒徑為300 μm時(shí)，沖蝕速率減小，為9.57×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域除出口管段及出口處外，新增喉部與進(jìn)口管段相貫處。如圖12(d)所示，顆粒粒徑為400 μm時(shí)，最大沖蝕速率為9.79×10-7kg/(m2·s)，相比于300 μm略微增加，但沖蝕區(qū)域及形狀并未改變。如圖12(e)所示，顆粒粒徑為500 μm時(shí)，最大沖蝕速率為9.61×10-7kg/(m2·s)，沖蝕區(qū)域并未改變，但沖蝕面積減小。

圖13所示為不同顆粒粒徑對(duì)沖蝕的影響規(guī)律?？芍?，沖蝕速率隨粒徑的增加呈現(xiàn)先增大再減小的波浪變化。造成這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)粒徑較小時(shí)，顆粒質(zhì)量較小，受流體湍動(dòng)強(qiáng)度影響較大，顆粒隨流體反復(fù)、多次撞擊管內(nèi)壁，因此沖蝕速率增大；隨粒徑進(jìn)一步的增大，顆粒質(zhì)量加大，部分顆粒在撞擊壁面后粘附在管道內(nèi)壁面上，形成沖擊坑的同時(shí)填充沖蝕區(qū)域，沖擊坑內(nèi)的顆粒降低了其他顆粒對(duì)管道內(nèi)壁的二次沖蝕，因此，沖蝕速率減小。隨粒徑繼續(xù)增加，自身慣性力增大，運(yùn)動(dòng)速度加快，從而使顆粒以很高的速率撞擊壁面，形成較大的沖蝕坑，因而使沖蝕速率再次增加；當(dāng)粒徑增加到一定程度時(shí)，受連續(xù)相湍動(dòng)脈動(dòng)影響減弱，沖蝕速率再次出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

圖13 不同沖蝕顆粒粒徑下的沖蝕速率曲線Fig 13 Erosion rate curve of different particle size

4.4 顆粒質(zhì)量流率對(duì)沖蝕磨損的影響

顆粒體積分?jǐn)?shù)小于20%，作為離散相來處理。采用Largenge進(jìn)行軌跡跟蹤。沖蝕顆粒濃度的大小與顆粒質(zhì)量流率密切相關(guān)，因此在流速15 m/s、沖蝕顆粒粒徑為200 μm條件下，選取5種不同的顆粒質(zhì)量流率進(jìn)行綜合對(duì)比分析。分析結(jié)果如圖14、15所示。

圖14 不同顆粒質(zhì)量流率下的沖蝕速率云圖Fig 14 Erosion rate cloud charts of different particle mass flow rates

圖15 不同顆粒質(zhì)量流率下的沖蝕速率變化曲線Fig 15 Erosion rate curve of different particle mass flow rates

圖14為不同顆粒質(zhì)量流率下的沖蝕云圖?？芍?，沖蝕速率隨顆粒質(zhì)量流率的增加逐漸增大，沖蝕速率最大值在0.5 kg/s時(shí)取得，為4.39×10-6kg/(m2·s)；沖蝕區(qū)域主要集中在出口管段下表面及出口處；并且出口管段下表面呈“橢圓形”，出口處區(qū)域呈現(xiàn)“U”形對(duì)稱分布；漸擴(kuò)管道喉部沖蝕區(qū)域?yàn)椴痪鶆虻陌唿c(diǎn)狀，沖蝕速率較小。

圖15所示為不同質(zhì)量流率下的沖蝕速率變化情況，沖蝕速率隨顆粒質(zhì)量流率的增加呈正相關(guān)關(guān)系。為研究其增長趨勢規(guī)律，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行曲線擬合處理[20]。擬合結(jié)果如圖16所示，最大沖蝕速率隨顆粒質(zhì)量流率的增加呈現(xiàn)線性增長,且線性增長系數(shù)為1.38。

圖16 曲線擬合結(jié)果Fig 16 Fitting results of curve

為保證曲線擬合的準(zhǔn)確性，運(yùn)用MATLAB殘差曲線進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，殘差曲線結(jié)果如圖17所示。

圖17 殘差曲線Fig 17 Residual curve

圖17中所有殘差均在0附近隨機(jī)波動(dòng)，并且變化幅度在一條帶內(nèi)[21]，因此，可知曲線擬合效果較好，即最大沖蝕速率與沖蝕顆粒質(zhì)量流率存在線性正相關(guān)關(guān)系。

4.5 沖蝕影響因素對(duì)比分析

通過不同參數(shù)條件下的漸擴(kuò)管沖蝕效果的分析,可以將沖蝕數(shù)據(jù)整理如表4所示，將入口流速、顆粒粒徑、質(zhì)量流率進(jìn)行對(duì)比分析，得到漸擴(kuò)管的沖蝕機(jī)制及主要的影響因素。根據(jù)得到的結(jié)論，在實(shí)際天然氣輸送中可采取相應(yīng)的防護(hù)措施，從而保證管道安全可靠運(yùn)行，防止事故發(fā)生。

表4 不同參數(shù)下沖蝕速率對(duì)比分析

從表4中可看出，入口流速從5 m/s增加到25 m/s時(shí)，最大沖蝕速率呈現(xiàn)先增加后減少再增加的變化趨勢，最大沖蝕速率的最小值為9.11×10-7kg/(m2·s)，最大值為9.95×10-7kg/(m2·s)，變化幅度不大；沖蝕顆粒粒徑從100 μm增加到500 μm時(shí)，最大沖蝕速率的最小值為9.15×10-7kg/(m2·s)，最大值為9.94×10-7kg/(m2·s)，變化幅度更?。活w粒質(zhì)量流率由0.1 kg/s增加到0.5 kg/s時(shí)，最大沖蝕速率呈線性增加，最大沖蝕速率從9.61×10-7kg/(m2·s)增加到3.429×10-6kg/(m2·s)，增加了3.5倍。通過分析可以得出，顆粒質(zhì)量流率對(duì)沖蝕效果的影響較敏感，其次為入口流速，粒徑對(duì)沖蝕效果的影響波動(dòng)較小。

5 結(jié)論

(1)漸擴(kuò)管應(yīng)力主要集中在出口管段內(nèi)壁面及喉部區(qū)域，最大等效應(yīng)力為58.234 MPa，最大變形位移為10.57 μm，位于擴(kuò)張管段與出口段交界處。突擴(kuò)管應(yīng)力集中在進(jìn)口管段與出口管段交界處的上壁面，最大等效應(yīng)力是漸擴(kuò)管的1.73倍，變形位移是漸擴(kuò)管的1.77倍。

(2)漸擴(kuò)管沖蝕磨損區(qū)域主要位于出口管段，最大沖蝕速率為4.61×10-6kg/(m2·s)；突擴(kuò)管沖蝕區(qū)域主要位于進(jìn)口管段，最大沖蝕速率為2.71×10-6kg/(m2·s)；漸擴(kuò)管最大沖蝕速率是突擴(kuò)管的1.7倍。

(3)隨入口流速增加，最大沖蝕速率先增大后減小，沖蝕區(qū)域主要集中在漸擴(kuò)管出口管段下表面及出口處，并且隨著流速的增加，出口管段“橢圓形”沖蝕區(qū)域逐漸增大，出口處“U”形區(qū)域逐漸減小。

(4)隨顆粒粒徑的增加，管內(nèi)壁沖蝕速率呈現(xiàn)先上升后下降的往復(fù)波動(dòng)趨勢，但沖蝕速率變動(dòng)范圍逐漸縮小并趨于穩(wěn)定。

(5)漸擴(kuò)管最大沖蝕速率隨顆粒質(zhì)量流率的增加呈現(xiàn)線性增長，線性增長系數(shù)為1.38，沖蝕速率最大值在0.5 kg/s時(shí)取得，為4.39×10-6kg/(m2·s)。