90°彎管內(nèi)沖蝕磨損的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算

許留云，胡瀧藝，姚賽，李林輝，李翔

（1. 延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 ，陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000；2. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 3. 中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029）

90°彎管內(nèi)沖蝕磨損的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算

許留云1，胡瀧藝2，姚賽1，李林輝1，李翔3＊

（1. 延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 ，陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000；2. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 3. 中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029）

通過將試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了 90°彎管的流場(chǎng)，確定了數(shù)值計(jì)算模型，即湍流模型選擇 RNG k-ε模型，求解時(shí)選擇 SIMPLE 求解器，沖蝕磨損的計(jì)算選擇離散相模型（DPM 模型），計(jì)算結(jié)果表明：彎管中沖蝕磨損最嚴(yán)重的位置在彎管彎曲外側(cè) 70°～90°之間。

彎管；沖蝕磨損；試驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算

沖蝕磨損指流體以小顆粒的形式，按照一定的速度和不同的角度對(duì)材料的表面造成不同程度的沖擊，這種沖擊會(huì)使材料的表面產(chǎn)生損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)构艿腊l(fā)生泄露和爆炸現(xiàn)象。沖蝕磨損現(xiàn)象廣泛地存在于石油化工、航天航空和能源機(jī)械等領(lǐng)域，是導(dǎo)致材料破壞甚至設(shè)備失效的主要原因之一[1]。90°彎管是石化工業(yè)中常見的管件，一般用來改變管道中流體的方向，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，其失效的概率也特別高，尤其在工況苛刻、相態(tài)復(fù)雜的石油化工管道中，甚至影響到了企業(yè)的安全生產(chǎn)，目前，管道的沖蝕磨損失效現(xiàn)象已經(jīng)引起了國內(nèi)外各學(xué)者的普遍關(guān)注。

2009 年 ， Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy 等，針對(duì)碳鋼彎管失效嚴(yán)重的問題進(jìn)行了討論，并對(duì)防止彎管失效的方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2]。2010年，Crockett, Harold M.Horowitz, Jeffrey S.等，針對(duì)工業(yè)管道中流動(dòng)腐蝕導(dǎo)致管道破裂和泄露而導(dǎo)致?lián)Q管停工等狀況，提出沖蝕損傷的機(jī)理和相應(yīng)的解決措施[3]。2012 年，Chenliang Fan, Brenton S. McLaury, Siamack A. Shirazi等，通過利用電阻探頭檢測(cè)管道不同位置處流體的流速、流向、顆粒的含量等，證實(shí)在氣體管道中，當(dāng)流體速度一定時(shí)，若減少氣體中固體顆粒的含量，將會(huì)大大地減少流體對(duì)管道的沖蝕磨損程度[4]。

國內(nèi)學(xué)者也對(duì)管道的沖蝕磨損現(xiàn)象做了大量的研究，如 2015 年，鄭思佳，張鵬等對(duì)輸氣管道彎頭內(nèi)壁面沖蝕進(jìn)化進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，隨著顆粒的沖擊，磨損嚴(yán)重的區(qū)域向彎頭圓心角高角度擴(kuò)散的速度較大[5]；2016 年，宋金倉，張明星等探究了氣-固兩相流中顆粒對(duì)管道彎頭的磨蝕機(jī)理，結(jié)果表明，顆粒在彎頭內(nèi)的軌跡是先匯聚、后發(fā)散，彎頭壁面上顆粒匯集程度最大的位置也是磨蝕最嚴(yán)重的地方[6]；同年，王陳讓和王少杰分析某天然氣管道沖蝕破壞的規(guī)律，結(jié)果表明，進(jìn)入管道的氣流直接作用在對(duì)側(cè)的壁面，大部分氣流沿壁面向出口方向流動(dòng)[7]。

為了更加準(zhǔn)確地研究石化工業(yè)管道中流體對(duì)管道的沖蝕磨損情況，本文將利用pIV 流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)對(duì)彎管內(nèi)流體流場(chǎng)中的速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，并與FLUENT 數(shù)值模擬計(jì)算的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，確定數(shù)值

［4］Chenliang Fan, Brenton S. McLaury, Siamack A. Shirazi, Edmund F. Rybicki. Experimental research of sand erosion in gas dominant Flows[J]. CORROSION, 2012(3): 11-15.

［5］鄭思佳，張鵬，敬加強(qiáng),等. 輸氣管路彎頭內(nèi)壁面沖蝕進(jìn)化的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(6):754-760.

［6］宋金倉,張明星,林龍沅,等. 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的顆粒磨蝕管道彎頭研究[J]. 中國粉體技術(shù), 2016,22(1):2-5.

［7］王陳讓, 王少杰. 某天 然氣管道沖蝕破壞規(guī)律 分 析 [J]. 技 術(shù) 研究,2016,1:135.

［8］鄭力銘. ANSYS Fluent15.0 流體計(jì)算從入門到精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

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

Experimental Study and Numerical Calculation of Erosion Wear in 90° Bendpipes

XV Liu-yun1, HU Long-yi2, Yao Sai1, Li Lin-hui1, Li Xiang3*
（1. Department of Chemistry and Chemical Engineering,Chemical Reaction Engineering Key Laboratory of Shaanxiprovince, 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)

The flow field in 90 degree bendpipe was studied by combination of the experiment and numerical calculation, then the numerical calculation model was established, and SIMPLE solver was selected, and the erosion of the bend was calculated by discretephase model (DPM model).The calculation results show that the most serious erosion of the bend is outerposition between 70 ° ～90 °

Bendpipe; Erosion wear; Test; Numerical calculation

TQ 052

： A

： 1671-0460（2017）02-0308-03

延安大學(xué) 2016 年度校級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目“多相流管道內(nèi)沖蝕磨損嚴(yán)重部位的研究”項(xiàng)目號(hào)： YDQ2016-33。

2016-09-26

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(jí)工程師，博士，研究方向：承壓設(shè)備安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn。