30°彎管應(yīng)力集中處的沖蝕模擬分析

王博 徐鑫 王衛(wèi)強(qiáng)

摘 ? ? ?要：為研究集輸管道彎管應(yīng)力集中區(qū)域的沖蝕現(xiàn)象，以30°彎管為例，先運(yùn)用應(yīng)力分析軟件探求彎管應(yīng)力集中區(qū)域;再運(yùn)用CFD軟件對(duì)應(yīng)力集中處的沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬，通過改變?nèi)肟诹魉?、顆粒的粒徑及質(zhì)量流率，分析沖蝕速率的變動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明：彎管應(yīng)力主要集中在拐角處，且應(yīng)力集中處的沖蝕區(qū)域呈“O”型分布;隨入口流速、顆粒粒徑及顆粒質(zhì)量流率的增加，沖蝕速率均呈遞增趨勢(shì)，但不同粒徑范圍，其增加的速度并不相同，且顆粒質(zhì)量流率的影響程度要略大于入流流速;彎管拐角外壁面同時(shí)承載壓力、應(yīng)力及沖蝕作用，而拐角內(nèi)側(cè)壁面壓力及沖蝕均較低，因此拐角外壁面的破壞概率遠(yuǎn)大于內(nèi)壁面，加強(qiáng)拐角外壁面的防護(hù)尤為重要。

關(guān) ?鍵 ?詞：集輸管道;彎管;流固耦合;應(yīng)力分析;沖蝕磨損

中圖分類號(hào)：TE 832; TG 172. 9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0680-04

Abstract： In order to study the erosion phenomenon in the stress concentration area of the gas pipe， taking 30° elbow as an example， the stress analysis software was used to explore the stress concentration area of the elbow. Then the CFD software was used to simulate the erosion phenomenon in the stress concentration area. By changing the inlet flow rate， particle size and mass flow rate， the variation law of erosion rate was analyzed. The results showed that the stress of the elbow was mainly concentrated at the corner， and the erosion area at the stress concentration was “O”-type distribution. With the increase of inlet flow velocity， particle size and particle mass flow rate， the erosion rate increased. However， the increasing speed of different particle size ranges was not the same， and the influence of particle mass flow rate was slightly larger than the inflow flow rate; the outer wall surface of the elbow corner carried both pressure， stress and erosion， while the inner wall surface pressure and erosion of the corner were lower， so the damage probability of the outer wall surface of the corner was much larger than that of the inner wall surface. It is especially important to strengthen the protection of the outer wall surface of the corner.

Key words： Gas collecting pipe; Elbow; Fluid-solid coupling; Stress analysis; Erosion wear

沖蝕磨損現(xiàn)象是導(dǎo)致石油化工設(shè)備失效及損壞的重要原因之一[1]。管道壁面因受到流體夾帶的微小顆粒沖擊作用，使得安全壽命大大縮短。研究表明，飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在塵埃密集區(qū)飛行，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命將減少90%左右[2];輸氣管道彎管的沖蝕程度是直管的50倍[3]。為分析固體顆粒對(duì)管道的沖蝕作用，相關(guān)學(xué)者通過仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬因具有可重復(fù)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣受學(xué)者的青睞[4]。鄧冬等[5]運(yùn)用CFD軟件對(duì)U形管沖蝕問題進(jìn)行了研究;陳光等[6]運(yùn)用拉格朗日法對(duì)90°彎頭正方形截面的沖蝕顆粒進(jìn)行了軌跡跟蹤;齊友等[7]運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)對(duì)氣、液、固多相流管道彎頭處沖蝕速率進(jìn)行了計(jì)算;楊怡菲等[8]通過建立顆?；貜椖Ｐ蛯?duì)稀釋流體對(duì)管道沖蝕速率進(jìn)行了計(jì)算;周池樓等[9]基于DEM法，構(gòu)建了浮力模型，通過計(jì)算耦合作用力來評(píng)定沖蝕程度;王志剛等[10]對(duì)埋地?zé)嵊凸艿缽澒艿膽?yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了90°彎頭兩側(cè)焊縫位置及彎頭不同位置截面處的應(yīng)力分布情況;韓曉瑜[11]從管道靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)兩方面對(duì)穿越地震帶隧道輸氣管道進(jìn)行了應(yīng)力分析，得到了管道應(yīng)力、位移及固定墩受力等參數(shù)的變化規(guī)律。

由于管道彎管同時(shí)承載應(yīng)力及顆粒的沖蝕作用，使得彎管的爆裂概率大大增加，因此，彎管在應(yīng)力集中處的沖蝕現(xiàn)象更具有應(yīng)用意義。但目前對(duì)集輸管道沖蝕的研究往往忽略了應(yīng)力的影響，因此，以集氣管道30°彎管為研究對(duì)象，運(yùn)用靜力分析系統(tǒng)確定應(yīng)力集中區(qū)域，并對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的沖蝕磨損進(jìn)行仿真分析。

1 ?數(shù)學(xué)模型

1.1 ?湍流模型

天然氣為低黏流體，且在管道中流速較快，經(jīng)計(jì)算流動(dòng)雷諾數(shù)Re大于2×105，即為湍流流動(dòng)，且未出現(xiàn)尾跡流、剪切流及混合層現(xiàn)象，對(duì)比多種湍流模型，最終選定標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。輸運(yùn)方程如下：

1.2 ?沖蝕模型

采用沖蝕速率定義固體顆粒對(duì)管道的沖蝕磨損，沖蝕速率指單位粒子在單位時(shí)間對(duì)材料單位面積造成的重量損失，計(jì)算方程為：

2 ?物理模型

2.1 ?幾何模型

彎管水平放置，取重力加速度g向下，模型示意圖，如圖1。

彎管幾何參數(shù)及材質(zhì)如表1。

2.2 ?網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Sweep方法對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，壁面及拐角處網(wǎng)格加密;選取出口速度作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)指標(biāo)，最終確定網(wǎng)格單元數(shù)為131 568。網(wǎng)格劃分示意圖，如圖2。

2.3 ?邊界條件

連續(xù)相為天然氣，密度為0.667 9 kg/m3，設(shè)置入口速度為10 m/s，水力直徑為90 mm，DPM為逃逸Escape; 出口設(shè)置壓力出口，水力直徑及DPM設(shè)置同入口處。

離散相材料為球形砂石，采用Inlet-Suface入口端面法向射流，密度為1 500 kg/m3，質(zhì)量流率為0.5 kg/s;壁面為無(wú)滑移邊界。顆粒體積分?jǐn)?shù)小于10%，不考慮顆粒的虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力等。

3 ?計(jì)算結(jié)果及分析

利用Ansys Static Structural對(duì)彎管進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)彎管自身結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的應(yīng)力分布不均現(xiàn)象進(jìn)行研究，進(jìn)而確定后文沖蝕研究的位置。

3.1 ?應(yīng)力分析

管道內(nèi)壁面施加3.5 MPa的均勻壓力載荷，端面設(shè)置固定約束。彎管等效應(yīng)力云圖，見圖3。

由圖3可知，彎管拐角內(nèi)側(cè)應(yīng)力值最大，為44.697 MPa，而拐角外側(cè)應(yīng)力較小，僅19 MPa左右;通過分折可知彎管應(yīng)力主要集中在拐角處，且內(nèi)側(cè)更為明顯。

圖4為彎管總體變形位移圖。由圖可知，彎管最大變形位移為0.049 45mm，位于彎管拐角處，但由于該值較小，因此，可忽略不計(jì)。

圖6為彎管等效應(yīng)變?cè)茍D，其最大值約為0.000 223 49mm，即萬(wàn)分之二的應(yīng)變;因此，可以判定該運(yùn)行內(nèi)壓載荷條件不會(huì)對(duì)管道造成破壞影響。

由上述分析可知，由于30°彎管彎曲結(jié)構(gòu)的存在，使得應(yīng)力主要集中在彎管拐角處，且內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中程度更明顯;拐角外側(cè)以拉應(yīng)力為主，內(nèi)側(cè)以壓應(yīng)力為主;因此，后文對(duì)彎管沖蝕研究的重點(diǎn)主要集中在彎管拐角處。

3.2 ?沖蝕分析

固體顆粒隨流體流動(dòng)反復(fù)撞擊管道內(nèi)壁面，使得壁面出現(xiàn)大小不一、分布不均的沖擊坑，沖擊作用下的金屬管道會(huì)產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，其質(zhì)量衰減的速度反映顆粒對(duì)管道的沖蝕情況。設(shè)定入口流速為10 m/s，粒徑為200 μm，質(zhì)量流率為0.5 kg/s進(jìn)行分析。

圖6為彎管壓力云圖。由圖可知，彎管入口段壓力較大，出口段壓力較小，沿流動(dòng)方向呈遞減趨勢(shì)，且入口段壓力變化較為明顯;彎管拐角外側(cè)壁面壓力取得最大值，出口處壓力取得最小值。

圖7為彎管壁面沖蝕云圖。由圖可知，彎管最大沖蝕速率為3.416 32×10-5 kg·m-2·s-1，位于彎管拐角外側(cè)壁面;因受重力作用，出口段也有沖蝕現(xiàn)象。

綜合壓力與沖蝕情況可知，彎管沖蝕區(qū)域主要分布在應(yīng)力集中區(qū)域，且該區(qū)域壓力值也較高;拐角外壁面同時(shí)承受拉應(yīng)力及內(nèi)壓作用，且外側(cè)區(qū)域沖蝕情況最為嚴(yán)重，因此彎管拐角外壁面是發(fā)生管道破裂的關(guān)鍵區(qū)域;通過觀察沖蝕云圖可知，彎管拐角外側(cè)的沖蝕區(qū)域呈“O”型分布;拐角內(nèi)側(cè)承受壓應(yīng)力作用，但拐角的內(nèi)壓相較于外側(cè)面較小，且顆粒受外側(cè)壁面反彈作用有限，因此拐角內(nèi)側(cè)區(qū)域沖蝕并不明顯，即彎管拐角內(nèi)側(cè)壁面較安全。

3.2.1 ?入口流速對(duì)沖蝕的影響

為了防止管內(nèi)流體流速過大造成的沿程壓力損失及氣田穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間縮短等現(xiàn)象，相關(guān)資料表明，碳鋼制集氣管道，天然氣輸送速度應(yīng)控制在20m/s范圍內(nèi)，減緩流體對(duì)壁面的沖刷作用;但流速較低，會(huì)導(dǎo)致管徑偏大，產(chǎn)生資源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致流體積壓在管道的低洼區(qū)域，進(jìn)而腐蝕管道。對(duì)于輸送酸性介質(zhì)的集氣管道，需考慮表面氣流速度及流態(tài)對(duì)腐蝕的影響，從防腐蝕觀點(diǎn)來看，管道中氣體呈環(huán)流方式比較理想，可使凝聚的液體被氣流夾帶走，但氣流速度過高，壓降會(huì)增加，能耗增加并對(duì)集氣系統(tǒng)的沖蝕加劇。

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)分析，結(jié)合研究對(duì)象，重點(diǎn)討論入口流速對(duì)彎管沖蝕的影響，分別取5、10、15、20 m/s進(jìn)行對(duì)比分析。沖蝕速率與入口流速關(guān)系曲線如圖8。由圖8可知，隨入口流速增加，最大沖蝕速率呈遞增趨勢(shì)，入口流速每增長(zhǎng)1%，最大沖蝕速率大致增加0.509%;不同入口流速下的沖蝕區(qū)域并未改變。由于彎頭處具有強(qiáng)大的離心作用，拐角外壁面接觸面積以及彈射次數(shù)大于拐角內(nèi)壁面，因此，拐角外壁面沖蝕更為嚴(yán)重。

3.2.2 ?顆粒粒徑對(duì)沖蝕的影響

顆粒是造成彎管內(nèi)壁沖蝕的根本原因，其自身屬性直接影響沖蝕速率，其中粒徑是重要的屬性之一。因此，設(shè)入口流速10 m/s，粒徑分別選取200、400、600、800 μm進(jìn)行對(duì)比分析。沖蝕速率隨粒徑變化曲線，如圖9。

由圖10可知，最大沖蝕速率隨粒徑的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但不同粒徑范圍的增加速率不相同。當(dāng)粒徑較小時(shí)（200～600 μm），最大沖蝕速率增加較快，當(dāng)粒粒徑介于600～800 μm時(shí)，最大沖蝕速率增加較慢;造成上述現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)粒徑較小時(shí)，顆粒自身慣性力小于連續(xù)相的湍動(dòng)力，顆粒在流體的帶動(dòng)下頻繁撞擊彎管內(nèi)壁，造成嚴(yán)重的沖蝕磨損;隨顆粒粒徑的增加，自身質(zhì)量增大，自身慣性力大于連續(xù)相的湍動(dòng)力，因此顆粒撞擊壁面的次數(shù)降低;由于大粒徑顆粒撞擊內(nèi)壁后會(huì)滯留在壁面沖擊坑內(nèi)，進(jìn)而避免壁面發(fā)生二次沖蝕，所以沖蝕速率增加的速率變緩。