90°彎管內沖蝕磨損的試驗研究和數值計算

許留云，胡瀧藝，姚賽，李林輝，李翔

（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）

90°彎管內沖蝕磨損的試驗研究和數值計算

許留云1，胡瀧藝2，姚賽1，李林輝1，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）

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

彎管；沖蝕磨損；試驗；數值計算

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材料的表面造成不同程度的沖擊，這種沖擊會使材料的表面產生損耗，嚴重時甚至會使管道發生泄露和爆炸現象。沖蝕磨損現象廣泛地存在于石油化工、航天航空和能源機械等領域，是導致材料破壞甚至設備失效的主要原因之一[1]。90°彎管是石化工業中常見的管件，一般用來改變管道中流體的方向，由于其特殊的結構，其失效的概率也特別高，尤其在工況苛刻、相態復雜的石油化工管道中，甚至影響到了企業的安全生產，目前，管道的沖蝕磨損失效現象已經引起了國內外各學者的普遍關注。

2009 年 ， Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy 等，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]。2010年，Crockett, Harold M.Horowitz, Jeffrey S.等，針對工業管道中流動腐蝕導致管道破裂和泄露而導致換管停工等狀況，提出沖蝕損傷的機理和相應的解決措施[3]。2012 年，Chenliang Fan, Brenton S. McLaury, Siamack A. Shirazi等，通過利用電阻探頭檢測管道不同位置處流體的流速、流向、顆粒的含量等，證實在氣體管道中，當流體速度一定時，若減少氣體中固體顆粒的含量，將會大大地減少流體對管道的沖蝕磨損程度[4]。

國內學者也對管道的沖蝕磨損現象做了大量的研究，如 2015 年，鄭思佳，張鵬等對輸氣管道彎頭內壁面沖蝕進化進行了研究，結果顯示，隨著顆粒的沖擊，磨損嚴重的區域向彎頭圓心角高角度擴散的速度較大[5]；2016 年，宋金倉，張明星等探究了氣-固兩相流中顆粒對管道彎頭的磨蝕機理，結果表明，顆粒在彎頭內的軌跡是先匯聚、后發散，彎頭壁面上顆粒匯集程度最大的位置也是磨蝕最嚴重的地方[6]；同年，王陳讓和王少杰分析某天然氣管道沖蝕破壞的規律，結果表明，進入管道的氣流直接作用在對側的壁面，大部分氣流沿壁面向出口方向流動[7]。

為了更加準確地研究石化工業管道中流體對管道的沖蝕磨損情況，本文將利用pIV 流場測試技術對彎管內流體流場中的速度場進行測量，并與FLUENT 數值模擬計算的流場進行對比，確定數值

［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,等. 輸氣管路彎頭內壁面沖蝕進化的試驗和數值模擬研究[J]. 摩擦學學報，2015,35(6):754-760.

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

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

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

［9］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.

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 2016 年度校級科研計劃項目“多相流管道內沖蝕磨損嚴重部位的研究”項目號： 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，高級工程師，博士，研究方向：承壓設備安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn。