新型直角彎頭的沖蝕磨損分析

魏 軻 宋德雙 馮 鑫 黃芷薇

（長江大學 機械工程學院，荊州 434023）

管道運輸與公路、鐵路、空運、水運共同構(gòu)成5大運輸方式，其中管道具有輸送量大、工程量小、損耗少等優(yōu)點，在石油、化工、冶金等行業(yè)中發(fā)揮著不可取代的作用。近年來，頁巖氣、水合物等新能源勘探開發(fā)過程中，采出產(chǎn)物中攜帶固體顆粒的含量較高。根據(jù)研究，顆粒導致的沖蝕會對管道的安全運營造成嚴重威脅。因此，研究集輸管線內(nèi)顆粒沖蝕磨損規(guī)律，根據(jù)管線的沖蝕磨損情況提出有效的改進措施，具有十分重要的意義[1-3]。

1 沖蝕磨損機理

本文研究的彎頭沖蝕靶材屬于塑性材料。當顆粒同靶材表面發(fā)生碰撞后，在靶材表面產(chǎn)生沖擊痕，并在顆粒碰撞的切削作用下，在顆粒運動方向另一側(cè)造成材料堆積[4]。這些材料堆積在隨后的顆粒沖擊作用下從靶材表面脫落，從而造成靶材表面的材料損失。在材料堆積形成過程中，表面會發(fā)生絕熱傳熱，使得表層下材料發(fā)生硬化，有助于材料堆積的形成。因此，穩(wěn)態(tài)條件下材料的沖蝕磨損速率大于初始階段的沖蝕磨損速率。

影響材料沖蝕磨損量的因素眾多，如沖擊速度、角度、時間、環(huán)境溫度等環(huán)境因素，磨粒硬度、形狀、尺寸等磨料性質(zhì)，以及內(nèi)部組織、力學性能、物理性質(zhì)等。

其中，對沖蝕磨損影響最大的環(huán)境因素是流體的速度。速度越大的粒子，所擁有的動能越大，在一定的時間段內(nèi)，粒子的沖蝕造成的體積損失會越大，造成的沖蝕后果更加嚴重，所以粒子的速度對于沖蝕率的影響有重要作用。單個粒子的動能大時，當其撞擊所產(chǎn)生的撞擊對壁面的影響也會增大。關于沖擊速度與沖蝕磨損率間的數(shù)值關系，可以描述為：

式中：K為常數(shù)；v為沖擊速度；n為速度指數(shù)，其值與金屬材料有關。當金屬材料為塑性材料時，n的取值為2.3～2.4。

固相顆粒與彎管內(nèi)表面發(fā)生碰撞后會產(chǎn)生沖蝕破壞。為了計算整個管內(nèi)不同部位的沖蝕損傷速率，采用沖蝕與沉積模型（Particle Erosion and Accretion Theory）對沖蝕損傷量進行計算。沖蝕速率Rerosion的定義如下：

式中：C(dp)是粒徑函數(shù)；a是沖擊角；f(a)是沖擊角函數(shù)；v是顆粒相對速度；b(v)是粒子相對壁面運動的函數(shù)；Aface是單元面積。

2 新型直角彎頭

如圖1所示，該新型直角彎頭包括緩沖腔1和彎頭本體7，彎頭本體7各端均鑄有法蘭盤，緩沖腔1與彎頭本體7由螺栓2連接。彎頭本體7右端和上端均通過法蘭盤與直管部位相連接。彎頭本體7的右端為氣體入口端，上端為氣體出口端。法蘭盤處安裝有密封圈5，螺栓2與螺母4之間有墊片3。氣固兩相流體通過右端進入直角彎頭本體內(nèi)，并在緩沖腔內(nèi)形成低速渦流，渦流緩沖掉顆粒所具有的能量，以降低其對管壁的沖蝕。緩沖腔1為可拆卸結(jié)構(gòu)，一方面是為了在受到?jīng)_蝕磨損后方便進行零部件替換，避免替換整個直角彎頭造成較大的經(jīng)濟損失，另一方面便于對沖蝕較嚴重部位如圖1所示圓角6部位噴涂涂層，以提高該部位的耐沖蝕程度。

3 新型直角彎頭的耐沖蝕性能分析

3.1 離散相模型

為研究設計的新型直角彎頭耐沖蝕磨損的有效性，建立常規(guī)直角彎頭和新型直角彎頭的數(shù)值計算模型，使用可形變部件模型（Deformable Part Model，DPM）計算管壁的沖蝕磨損情況[5]。所建立的數(shù)值模型中，常規(guī)直角彎頭與新型直角彎頭的內(nèi)徑均為70 mm，氣體的流速為10 m·s-1，顆粒粒徑為100 μm，顆粒質(zhì)量流量為0.07 kg·s-1。

3.2 計算結(jié)果分析

由圖2可以看出，改進后帶有內(nèi)倒角與緩沖腔的直角彎頭相較于普通的直角彎頭，沖蝕位置由原來的彎頭內(nèi)腔的外壁改變?yōu)閮汕惑w相貫的倒角處附近，大大減少了沖蝕區(qū)域面積，降低了近1/3的最大沖蝕率。

改進后的直角彎頭為緩沖腔與直通的法蘭連接結(jié)構(gòu)，為在角通內(nèi)腔涂加耐沖蝕涂層提供了方便。因此，在緩沖腔與直角彎頭裝配前，從兩結(jié)構(gòu)連接處入手，在沖蝕較嚴重的區(qū)域（即圓倒角處）涂加耐沖蝕涂層（一般為氧化鋁陶瓷），進一步減少彎頭使用過程中發(fā)生的沖蝕，提高彎頭的使用壽命。

4 結(jié)語

設計的帶有緩沖腔結(jié)構(gòu)的新型直角彎頭相較于常規(guī)直角彎頭具有更好的耐沖蝕性能。對比原始直角彎頭，沖蝕位置由原來的彎頭內(nèi)腔的外壁改變?yōu)閮汕惑w相貫的倒角處附近，在相同條件下，沖蝕區(qū)域面積大大減少，同時降低了最大沖蝕率。

通過法蘭連接直角彎頭與緩沖腔，緩沖腔為可替換的零件，可避免因沖蝕磨損失效后需要替換整個直角彎頭造成的巨大經(jīng)濟損失。此外，這種結(jié)構(gòu)便于在沖蝕較嚴重的倒角處噴涂耐磨涂層，進一步提高了彎頭的整體使用壽命。