挖泥船疏浚管路的磨損分析及耐磨材料的應用

摘 要：挖泥船疏浚管路在高濃度泥沙的運輸過程中，對管道尤其對彎道處的管路會產生必然的物理磨損。為降低疏浚管路的物理磨損并延長管道使用壽命， 本文基于fluent軟件采用數值模擬方法分析高濃度泥沙在長距離非直型管道中的流動壓強、流速及磨損特性。在此基礎上對磨損較為嚴重的彎管內壁使用優異的耐磨材料，以延長疏浚管路使用壽命，提高疏浚管路的性能及效率，減少停機維修率。

關鍵詞：泥沙； 彎管；磨損；fluent；耐磨材料；數值模擬

1 引 言

我國幅員遼闊，擁有眾多江河湖庫，其河道和港口碼頭的淤積非常嚴重，因此對于清淤疏浚工程船的需求量極高。同時，隨著海運和內河水運的發展，船舶的噸位和數量越來越大，使其相應的碼頭、航道都要進行與之相對應的升級，以滿足通航的需求，因此要對疏浚船的要求越來越高，以便更高效的快捷的完成相應的疏浚工程。

隨著國內疏浚行業的快速發展，挖泥船疏浚管路的耐磨性能日益受到關注，而與之配套的耐磨材料如HARDOX 400、JFE-EH400、堆焊鋼管（如信鉻鋼）、雙套管、鑄造合金管等均已逐步在挖泥船疏浚管路上推廣與應用。為進一步提高疏浚管路的耐磨性能，增加耐磨材料的有效利用率，現對挖泥船艏吹管系的部分管路建立數學模型，運用 fluent軟件模擬仿真分析，揭示疏浚管路的磨損規律。

目前，在對彎管的磨損研究上，國外有Arvind Kumar等人[1]利用Fluent軟件模擬體積濃度為16.28%的石英砂在一個90度的彎管，以不同的速度沖擊的磨損變形，并與實驗結果做了比較，得出CFD模擬結果與實驗結果相當吻合；Dr. Ehab Elsaadawy等人[2]利用Fluent DPM模型研究了運輸天然氣管道在不同的彎道處、不同速度下的磨損侵蝕率，得出了一些較為經典的結論。國內的張慧君等人[3] 利用Fluent 軟件對90 °彎管分別取3 種不同管徑、8 種彎徑比，進行了液固兩相流流場的數值模擬，得到湍流狀態下管內流體的速度分布，通過二次開發將磨損模型嵌入到Fluent 軟件中，實現了對彎管部位的磨損預測；宗營營等人[4] 利用Fluent軟件對煤風管道內氣-固兩相流進行模擬仿真，觀察固體顆粒運動軌跡，對管道內沖蝕磨損進行研究分析，發現燃燒器設計的不合理因素，對煤粉燃燒器結構改進和相關參數優化有一定指導意義。

2 泥沙兩相流理論模型

對于泥沙流，采用Ansys12.0中Fluent模塊內新增模型 Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）對高濃度泥沙兩相流進行數值模擬，該模型兼顧了Eulerian Model 對兩相流模擬的優點并克服了傳統DPM模型只能對低體積分數進行模擬的弊端，能很好的模擬相間的相互作用，同時也能模擬顆粒的運動軌跡。由于泥沙在實際運輸的過程中的體積分數高達40%，并且泥沙的存在對液相的流動存在一定的影響，尤其是在彎管處的影響更為顯著，所以采用Eulerian + DDPM模型對泥沙兩相流動研究較傳統單獨采用Eulerian雙流體模型研究更具有優越性。

2.1 流體連續相控制方程

2.3 磨損方程

3.2 網格劃分

用ICEM CFD軟件對模型進行結構網格劃分，創建有限元模型，為提高邊界層的計算精度，在靠近泥管壁附近區域，沿半徑方向采用漸進距離網格進行離散，其模型網格單元總數量：239768。其交接處結構網格與截面網格形式如圖2所示。

3.3 邊界條件和初始條件

使用fluent軟件內的Eulerian與DDPM模型，湍流計算采用k-εRNG模型；入口處采用速度邊界條件，因大出口有閥門控制處于關閉狀態，故設為無滑移固壁條件；小出口設置為自由出流（outflow），壁面采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數法確定固壁附近的流動。

3.4 數值模擬結果

3.4.1 速度分布

分析圖3可知，液相與粒子固相的速度分布很相似，僅是在速度出口處有明顯不同。

兩者速度均在管道彎壁內側出現明顯增大，相接處達到最大。

從圖4a可以看出：在入口直管段壁面附近，粒子速度分布相對均勻，流經彎管時，由于流向發生改變，粒子速度分布發生很大變化。圖4a、圖4b、圖4d均顯示在內拱壁面，粒子速度在彎管起始位置先增加而后又明顯降低；在外拱壁面，粒子速度在彎管起始位置先降低而后又增加。這是因為粒子流經彎管時，在內拱壁彎管處，流體運動方向背離壁面，動能損失較少，且受重力和離心力所用，此處粒子數量少，壓力也小，從而引起液相和粒子速度都明顯增大，而后隨著離心力的減弱，粒子速度隨之降低；在外拱壁彎管處，流體沖擊角度很大，動能損失嚴重，速度大大降低，其粒子速度也減小。

從圖4c分析知：在岔口處，流域增大，受分岔管壁長時間泥沙的堆積影響，減緩了粒子運動速度。從圖4d知，由于開口直徑的減少，在同等壓強下，必然會使粒子速度增加。

3.4.2 沖擊磨損分析

由圖5為粒子磨損速率云圖的對比，相對于粒子對管道的磨損，管道中的液相對管道的磨損非常小，可以忽略。故粒子是造成磨損的主要原因，所以可僅對粒子進行相關的分析。由公式（6） 可以看出磨損主要受粒子數量、粒子速度和沖擊角度等影響。

由圖5b分析知：因采用的是面源噴射模型，在其入口處容易造成粒子對管壁固體顆粒對彎管部磨損較為嚴重。在入口直管段，流體端動程度較小，粒子分布均勻，使其造成的沖擊磨損緩慢變小。因此處彎管是沿空間斜向上方向延伸，粒子進入到彎管之后，在內拱壁，速度增大，但磨損降低。其原因一是由于受慣性力作用，彎管內拱壁粒子較少；二是大多數粒子的沖擊角度較低，接近內壁切線 ，對壁面造成不了沖擊，所以磨損較小。而在外拱壁，雖然粒子速度有降低，但粒子累計沖擊數量較大，接觸面積廣，沖擊角度較大，磨損明顯增大；同時彎管背向延伸，使其磨損區域擴大。

由圖5c分析知：對于形狀類似的第二彎壁，必然會產生類似的磨損效果；同時由于受到管路扭轉角度的影響，使其出口粒子在慣性力與離心力的作用下與直管壁產生角度沖擊。

由圖5d分析知：第三彎壁處同前面分析的彎壁表現出不同的磨損變化，因出口管路徑向縮小，壓強增大，速率增加，一方面必然會導致出口磨損加大，另一方面使其磨損在頸縮處大范圍出現。

對于岔口處彎壁來說，由圖5a可以明顯看出，因其粒子在此堆積，內壁處受來流的來回沖擊，磨損在岔口內壁是最嚴重的，而岔口的背壁， 主要是此處流域變大，使其磨損處較內壁較輕。

4 結 論

（1）利用Fluent 軟件，采用Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）模塊和磨損模塊可實現泥沙液固兩相流在管道內的流場模擬。同時，利用流場計算結果及磨損模型，可預測磨損區域及磨損速率進而優化耐磨管路的布置，提高耐磨材料利用率。

（2）通過計算發現，磨損嚴重區域為彎管區的外拱壁處，說明顆粒的存在對彎管壁面的剪切應力分布影響最大，同時，該處受沖擊影響較深，受力也較大，處于危險區域，此處耐磨性能要求高，需采用耐磨性能相對最高的耐磨材料，并進行局部加厚處理，以提高管路的整體使用壽命，避免因局部磨穿而造成的整根泥管報廢。

（ 3 ） 利用本文方法可對疏浚管系進行分析計算，以考慮、不同流體輸送條件如溫度、速度、固含量等因素的影響，得到適用于具體工況條件的合理的管路尺寸、耐磨材料選擇。

參考文獻：

[1] Arvind Kumar，D. R. Kaushal ，Umesh Kumar. 3D CFD Modeling and Experim-ental Validation for Slurry Flow through Pipe Bend [J]. Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. 2008 7：105-110.

[2] Dr. Ehab Elsaadawy and Dr. Abdelmounam M. Sherik. Black Powder Erosion in Sales Gas Pipeline Bends[J]. Saudi Aramco Journal of Technology ，2010.

[3] 張慧君，付林，高炳軍. 油煤漿輸送管路彎管部位液固兩相流流場的數值模擬與磨損預測[J].河北工業大學學報， 2010.12， 36（6）： 66-71.

[4] 宗營營， 馬德毅， 宋丹路， 彭家強. 基于Fluent的煤粉燃燒器風管流場數值模擬與分析[J]. 起重運輸機械， 2012， 3： 41-45.

[5] 王福軍. 計算流體動力學分析— CFD軟件原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社， 2004.

[6]Ansys. Ansys Fluent Help 12.0 [M]. 2009