90°彎管沖蝕磨損的數值模擬研究

許留云，胡瀧藝，李 翔

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90°彎管沖蝕磨損的數值模擬研究

許留云1，胡瀧藝2，李 翔3*

（1. 延安大學 化學與化工學院 陜西省化學反應工程重點實驗室， 陜西 延安 716000； 2. 西安石油大學， 陜西 西安 710065； 3. 中國特種設備檢測研究院, 北京 100029）

利用FLUENT軟件中的DPM模型，對含少量固體的90°液體管道內的沖蝕磨損情況進行了數值計算，得到了90°彎管中沖蝕磨損最嚴重的部位，并且流體對彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度的增大而呈線性增加，隨著彎管中顆粒含量的增加而呈線性增加，且彎管的最佳彎曲半徑為=1.5D或=2D。

彎管；沖蝕磨損；數值計算

石化行業作為我國四大支柱產業之一，是實現國民經濟現代化的重要保證。石油化工生產具有高效率、高強度、高風險和周期長的特點，安全生產是石化企業永恒的主題。石油化工企業中用于運輸流體的特殊設備即管道，廣泛存在于各大企業，失效機理復雜、運行的條件相對苛刻，因此管道的運行是否可靠直接影響整個企業的安全。

2006年，Brenton S. McLaury, V. Viswanathan等通過試驗證明流體管道沖蝕程度不僅取決于流體的性質、顆粒的含量，還與管道的材料、幾何尺寸等相關，對于多相流流體，還和流體的流動形式相關，液體的流動方向也和管道的沖蝕程度有很大的關系，并且提出了一種彎管在水平和垂直方向的沖蝕預測模型[1]，2009年，Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy等人，針對碳鋼彎管失效嚴重的問題進行了討論，并對防止彎管失效的方法進行了設計[2]。2011年，韓志武，張俊秋，施云蛟等人研制了一種射流式氣/固沖蝕測試裝置，克服了其他試驗裝置在使用過程中存在的流場不夠穩定、沖擊角度不能精確控制等缺點[3]。2012年，偶國富和葉劍等人開了一種旋轉式沖蝕試驗裝置，還改善了以往的試驗裝置中顆粒的沖蝕角度不準確、試驗管道中液體濃度均勻等問題[4]。2013年，林楠和蘭惠清等依據相似原理的知識搭建沖蝕試驗平臺，并研究了管道中顆粒的軌跡對管道沖蝕磨損的影響，將試驗結果和數值模擬結果對比后發現，流體對彎管的沖蝕磨損與流體中顆粒的入射角度有很大的關系[5]。

1 流體動力學模型

1.1 理論模型

管道內流體含沙的流動屬于典型的流-固兩相流，由于流體中顆粒非常稀薄，因而顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續相的影響均未加考慮，并在拉格朗日坐標系下，采用離散相模型（DPM）模擬管道中流體流動。

管道內流動均屬于典型的兩相流，其連續方程如下：

所采用的DPM模型中沖蝕速率公式如下：

1.2 計算方法

利用Fluent14流體分析軟件對90°彎管內的沖蝕磨損情況進行數值模擬研究，湍流方程選擇方程，應用三維隱式分離求解器，控制方程的離散采用有限元體積單元法，液-固耦合均采用SIMPLE算法。

2 模擬結果分析

為了確定90°彎管中沖蝕磨損較嚴重的部位，首先對含有沙粒的水的管道進行數值模擬研究，其邊界條件為，速度入口5m/s，出口邊界為自由出口。

2.1 彎管沖蝕磨損部位預測

彎管在基準仿真條件下的速度云圖、壓力云圖及沖蝕磨損特征圖如圖1-4所示，由圖看出，當流體流經彎管時壓力和速度變化都較大，由圖1速度云圖可以看出，在彎管處，流體的速度變化較大，流經彎管時緊貼管道內壁和外壁處的速度開始發生變化，相同的時間內流體流經管道內壁的路程較短，所以其速度相對大于彎管外側處的速度大小。由圖2壓力云圖可以看出，流體的壓力在彎管彎曲的外側明顯增大，而彎曲的內側呈減小的趨勢，這是由于流體速度變化導致的。由不可壓縮流體的伯努利方程可以指出在一條流線上的流體質點的機械能是守恒的：

—位置水頭（重力勢能項），m；

圖1 彎管的速度云圖

圖2 彎管的壓力云圖

這三項之和就是流體質點總的機械能；稱為總的水頭高，這就是著名的伯努利方程。因此當流體的動能發生改變時，流體的壓能隨之改變，且改變的大小幅度相同，且由上述兩幅圖可以得出當流體流過彎頭后約10D長度時，管道中流體的壓力和速度又恢復到初始流動狀態，為了防止流體在管道中的二次波動，兩個彎管之間的距離應該大于10倍管徑。

2.2 流體入口速度對彎管沖蝕磨損的影響

速度是影響彎管沖蝕磨損速率的重要因素，為了研究流體速度和管道沖蝕磨損速率之間的關系，本節將選取管道中流體速度分別為1、3、5、7、10、15 m/s共六組數據對彎管的沖蝕磨損情況進行數值模擬，保持離散相體積含量為2%不變。

由圖3和圖4可知，流體對彎管的沖蝕磨損主要集中在彎管彎曲的外側，其中較嚴重的部位是彎管彎曲的管道外側的20°~90°范圍內，但是彎管外側70°~90°沖蝕磨損作用最嚴重。

圖3 彎管外側的沖蝕速率云圖

圖4 彎管內側的沖蝕速率云圖

由圖5可知，在所研究范圍內，流體對彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度呈線性增加，且速度越大對彎管的沖蝕磨損的嚴重區域也有所增加。

圖5 彎管中流體速度和沖蝕磨損速率的關系圖

2.3 顆粒含量對彎管沖蝕磨損的影響

流體對管道的沖蝕磨損作用，除了流體流動時對管道的沖蝕磨損，更重要的是流體中所含的顆粒對壁面造成的磨損作用，顆粒與壁面之間由于相對速度不同而造成對壁面的沖蝕磨損比流體中單相流流體對壁面的磨損作用更為嚴重。因此，流體中顆粒含量是影響彎頭沖蝕磨損的重要因素之一，一般情況下，流體中顆粒含量較少，不會超過流體體積含量的6%，本節將選取流體中顆粒含量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%等六組數據研究流體中顆粒含量與管道沖蝕磨損速率之間的關系，同樣本節選擇離散相模型（DPM模型），流體的入口速度取5 m/s，出口選取自由出口，對90°彎管進行數值模擬計算。

由圖6可知，在所研究顆粒含量范圍內，管道中流體的顆粒含量增加時，增加了顆粒與管壁碰撞的機率，管道沖蝕磨損速率而隨之呈線性增加。

圖6 彎管中流體顆粒含量與管道沖蝕磨損速率的關系圖

2.4 曲率半徑對彎管沖蝕磨損的影響

對于不同曲率半徑的90°彎管，流體流經彎管時，流場變化和流體對管道的沖蝕磨損情況也是不相同的，因此，不同的曲率半徑也是影響流體對彎管沖蝕磨損速率的因素之一，為了研究彎頭的曲率半徑與管道沖蝕磨損速率之間的關系，本節選取彎管的彎曲半徑分別為1D、1.5D、2D、3D、5D、8D、10D等7組數據對彎管進行沖蝕磨損的數值模擬計算，選擇離散相模型，流體中離散相顆粒含量為2%。

當流體速度一定時，隨著彎管曲率半徑的增加，流體對彎管的沖蝕磨損嚴重區域有明顯的增加，在所研究曲率半徑范圍內，隨著彎管曲率半徑的增加，彎管的沖蝕磨損速率有減小的趨勢，在實際應用中，管徑大的管道所占的空間也大，因此，綜合考慮沖蝕磨損速率、沖蝕磨損面積和空間位置等因素，工業管道的曲率半徑最佳取值為：=1.5D或=2D(圖7)。

圖7 彎頭彎曲半徑和管道沖蝕磨損速率的關系圖

3 結 論

通過數值計算研究了彎管內流體速度、顆粒含量和彎管的彎曲半徑等因素和彎管的沖蝕磨損速率的關系可得到以下結論：

（1）流體對彎管的沖蝕磨損最嚴重位置不隨流體的速度、流體中顆粒的含量的變化而改變，彎管中沖蝕磨損最嚴重的位置在彎管彎曲外側70°~90°之間；

（2）在所研究的流體速度變化范圍內，流體對彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中流體速度的增加而呈線性增加；

（3）在所研究的顆粒含量變化范圍內，流體對彎管的沖蝕磨損速率隨著彎管中顆粒含量的增加而呈線性增加；

（4）彎管的曲率半徑不同會影響流體對彎管沖蝕磨損速率，數值計算結果表明，隨著彎管曲率半徑的增加，彎管的沖蝕磨損速率會減小，但沖蝕面積有所增加，綜合考慮各項因素，彎管的最佳彎曲半徑為=1.5D或=2D。

參考文獻：

［1］Brenton S. McLaury. Effect of upstream pipe orientation onerosion/ corrosion in bends for annular flow[J]. Corrosion,2006(9): 12-16.

［2］Samarth Tan don, Ming Gao, Rick McNealy et al. EROSION- CORROSION FAILURE OF A CARBON STEEL PIPE ELBOW-A CASE STUDY[J]. CORROSION, 2009(3): 22-26.

［3］ 韓志武, 張俊秋, 施云蛟, 等. 射流式氣/固沖蝕測試裝置: 中國, CN102288538 A[P]. 2011.

［4］ 偶國富, 葉健, 章利特, 等. 一種旋轉式液固兩相流沖蝕磨損試驗裝置的研制[J]. 中國機械工程, 2013, 24(13): 1705-1710.

［5］ 林楠, 蘭惠清, 趙超. 沖蝕角度和彎頭幾何尺寸對沖蝕磨損的影響研究[J]. 科學技術與工程, 2013,13(18): 5135-5140.

［6］ 許留云, 李翔, 李偉峰, 裴彥達. 三通管中氣液沖蝕磨損的數值模擬研究[J]. 當代化工, 2014, 43(8): 1577-1579.

［7］ 許留云, 李翔, 李偉峰, 裴彥達, 王江云. 三通管中不同流體介質沖蝕磨損的數值模擬[J]. 當代化工, 2014,43(12): 2718-2720.

Numerical Simulation on Erosion of 90°Elbow

1，2，3*

（1. Department of Chemistry and Chemical Engineering，Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering，Yan’an University，Shaanxi Yan’an 716000，China；2. Xi'an Shiyou University，Shaanxi Xi'an 710065，China; 3. China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China)

In this paper, numerical simulation on erosionof 90° elbow was carried out by FLUENT software, the worst parts of the erosion in 90° elbow were determined. The results show that the pipe erosion rate increases linearly with increasing of fluid flow velocity and the particle content in the pipeline. The optimal bending radius of elbow is 1.5D or 2D.

elbow; erosion; numerical calculation

TQ 018

A

1671-0460（2016）09-2240-04

延安大學2015年度校級科研計劃項目“煤化工含固多相流管道的沖蝕破壞機理研究”項目號： YDK2015-63。

2016-05-11

許留云（1990-），女，山東聊城人，助教，碩士，研究方向：壓力容器及管道安全工程。E-mail：xuliuyun11@163.com。

李翔（1980-），男，高級工程師，博士，研究方向：承壓設備安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn。