基于Finnie的船舶管系的磨粒腐蝕仿真模擬

陳玉蘭

摘 要：輸送燃油，壓縮空氣，生活用水等管道流體中常混有固體污染物顆粒。固體顆粒的混入初期引發(fā)磨粒磨損，損傷金屬表層防護層及其金屬材料的變形、刮傷等，在后期更可能導致應力腐蝕，電化學腐蝕等腐蝕磨損，進一步惡化管路系統(tǒng)。本文通過對管道腐蝕情況進行仿真模擬獲得其在不同模型下的90°彎管的腐蝕磨損率，可便于更有效經濟的設計，同時也對磨粒腐蝕及其防護方式的正確性進行了驗證。

關鍵詞：船舶管系;Finnie模型;磨粒磨損;腐蝕磨損率

0 引言

船舶管路系統(tǒng)可分為動力管系與輔助管系。無論是何種管系，其過濾與濾清器的作用有限，難免造成硬質顆粒的混入，尤其是在濾器前段，顆粒物的混雜量更為可觀。顆粒在流動中的慣性和湍流分散會使它們撞擊管壁，對管壁的沖擊使表面材料變形或剝離。除了對管道內表面造成損傷之外，固體污染物顆粒可能損壞管道內的耐腐蝕層或從內表面移除化學抑制劑，從而暴露管壁中可能更容易腐蝕的材料。

1 模型的準備

1.1 Finnie模型

壁面由于顆粒的沖蝕效應造成的磨損是關于顆粒沖擊、顆粒及壁面屬性的復雜函數。對于大多數金屬，沖蝕可認為是粒子沖擊角及速度之間的函數，定義沖蝕速率為沖擊到壁面上的顆粒動能的函數（n=2），其表示為[3-4]：

其中：為顆粒的沖擊速度，依據材料而定，如管壁材料為淬火鋼時，沖擊角為顆粒軌跡與壁面的夾角（以弧度為單位），指數n通常取2.3-2.5（金屬）。

2 基本假設

假設1：固體污染物顆粒的直徑均相等，均為0.7mm。

假設2：由兩個直的圓柱形管段組成，直線部分通過90°彎頭連接。

假設3：xy平面是對稱平面。

假設4：管系中流體為不可壓縮的流體。

3 模型的仿真

CCS規(guī)定[1]，貨油管系及開式管系一般為III級管系，其滑油、燃油管系要求為設計壓力≤0.7MPa，設計溫度≤60℃，有安全保護措施的管系一般為II級管系，滑油、燃油管系要求為設計壓力≤1.6MPa，設計溫度≤150℃。船舶管徑的選擇遵從：

其中D為管路內徑，為管內流體質量流量，為流體流速，為流體密度。因此合適的管徑，流速，流體之間的匹配，不僅影響到輸送質量，也影響到初投資成本。

鋼管90°彎頭，取公稱通徑DN=50cm，壁厚t=7cm，彎曲半徑為R=50cm，管路的速度為16m/s。管道還以0.6kg/h的速率輸送固體顆粒。每個管段長50cm，直徑20cm。固體顆粒由流體通過90°管彎頭攜帶。模型根據管道直徑，雷諾數，需要具有壁函數的湍流模型。本文選用相比于k-ε模型，對于涉及強流線曲率的流動更準確的k-ω模型[2]。其仿真效果如下圖所示：

顯然，固體顆粒只能在掠射角處撞擊表面。管路彎頭計算所得表面的腐蝕磨損率：在彎頭表面掠射角出腐蝕磨損率最大，且越向外圍，粒子的沖擊作用越強，在管壁內部可能引起應力腐蝕與防護層剝落的問題。

因此，船舶管系的維護與保養(yǎng)關注點除截面面積突變處外，彎頭處的損傷也不容忽視。如定期加入高品質清潔劑，定期更換與清洗濾器，加強對船舶管系彎頭處的探傷，及時修復與更換等以免引起進一步的損傷，甚至引起泄漏事故。

參考文獻：

[1]CB/Z 345-2008，船舶管系布置和安裝工藝要求[S].中國：船舶行業(yè)標準（CB），2008-10-01.

[2]F.Menter，“Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows，”AIAA Paper #93-2906，24th Fluid Dynamics Conference，July 1993.

[3]Hutchings，I.M.，“Mechanical and metallurgical aspects of the erosion of metals”，Proc.Conf.on Corrosion-Erosion of Coal Conversion System Materials，NACE（1979）393.

[4]Dosanjh，S.，and Humphrey，J.A.C.，“The influence of turbulence C on erosion by a particle laden fluid jet，Wear”，V.102，1985，pp.309-330.