省煤器輸灰管彎頭沖蝕磨損數值模擬研究

浙能電力股份有限公司臺州發電廠 劉 馳

某電廠省煤器倉泵采用正壓濃相氣力輸灰方式，將省煤器沉積下的粉煤灰通過省煤器輸灰管輸送至干灰庫內。該氣力輸送管道在實際使用中頻頻被高速含灰氣流磨穿，壽命較短。一旦發生泄漏，破損處的泄料不僅會破壞整個系統的氣密性，影響裝置的正常工作，而且會對電廠的環境造成很大的污染。輸灰管線中屬彎頭處的氣固流管壁沖蝕最為嚴重，因此，為了提高彎頭的耐磨性能，必須要了解彎頭內的氣固流動及沖蝕磨損規律，再采取針對性的措施，使彎頭的性能達到最佳狀態。傳統的現場試驗方法周期長，費用高，對于磨損的研究，周期長的缺點尤為明顯。但隨著計算機技術的飛速發展，以Fluent為代表的商用計算流體力學軟件可克服傳統現場試驗的上述缺點，利用該軟件進行仿真模擬，可較方便并準確地模擬出彎頭內部的流場，可為彎頭磨損的深入研究提供幫助。

1 彎頭的磨損機理

氣固兩相流在通過彎頭時，大量的物料顆粒將會與管道內壁表面接觸并作滑動運動，形成摩擦磨損。隨著大量的物料繼續通過管壁表面，管壁表面將不斷產生出新的溝痕。由于磨損是物料與管壁摩擦撞擊造成的，所以物料速度愈高摩擦及撞擊的能量愈大，磨損也愈嚴重。另一方面，物料顆粒的沖擊也會造成彎頭表面材料的沖擊磨損。在輸送過程中，物料顆粒對彎頭內壁表面持續不斷地沖擊，接觸應力也隨之增加，當超過表面材料的接觸疲勞強度時便會產生疲勞裂紋，最終導致管壁材料因疲勞破壞而剝落[1]。

2 彎頭數值模擬

2.1 數學模型

流動在滿足能量方程、質量守恒方程、動量方程的基本控制方程外，還應加上湍流模型、離散相模型、沖蝕磨損方程。

湍流模型方程。數值計算中，湍流模型的選擇需綜合考慮求解區域的復雜程度、流動的主要特征及計算資源等因素。綜合考慮數值精度和計算條件，本文采用標準K-ε模型，其適合完全湍流的流動過程模擬，它假設流動為完全湍流，分子粘性的影響可忽略。該模型需要求解湍動能及其耗散率方程。標準K-ε模型的湍流動能K和耗散率ε方程形式如下。式中：Cμ為模型常數；u為流體速度；K為湍流脈動動能；ε為湍流脈動動能耗散率；ρ為流體密度；dp為顆粒直徑；g為重力加速度。

多相流模型。在氣固兩相流計算中多相流模型分為兩類：歐拉模型適合計算顆粒相較稠密的問題；離散相模型適用于計算顆粒相對氣相較稀疏的問題，其一般以顆粒的體積分數是否大于10%為劃分界限。#7爐省煤器正壓氣力輸送的灰氣比為約為16，經過折算顆粒的體積分數為1.18%，故將固體顆粒作為離散相進行建模。模型根據拉格朗日離散計算方法對離散相固體顆粒進行計算，離散相固體顆粒的運動遵循牛頓第二運動定律。式中：up、u分別為離散的顆粒相和連續的流體相速度；CD為曳力系數；Rep為相對雷諾數；ρp、ρ分別為顆粒相和流體相的密度；dp為顆粒直徑；g為重力加速度。

沖蝕磨損模型。固體顆粒對管道壁面的沖蝕磨損速率如下式所示，式中：Rerosion為材料磨蝕速率；mp為顆粒質量流率(單位時間內流過管道某一截面的物質質量)；c(dp)為顆粒直徑dp的函數；f(α)為沖擊角α的函數；vb(u)為速度項。

針對球形顆粒的模型參數設定，其中b(u)=2.4，沖擊角函數為[2]。

2.2 流體物性及邊界條件

#7爐省煤器輸灰管彎頭規格為DN125耐磨彎頭，彎曲半徑R=700mm；根據實際運行參數，#7爐省煤器粉煤灰的密度約為1700kg/m3，粉煤灰的質量流量約為3.6kg/s。根據公開文獻中對粉煤灰特性的研究，省煤器粉煤灰粘度1.72×10-5kg/m·s；粒度分布一般為20～400μm，并以約100μm為中心成正態分布，為簡化計算此次取顆粒粒徑為100μm；#7爐省煤器正壓濃相氣力輸灰管線內，其兩相流流速處在5～16m/s之間，為了研究兩相流速度對彎頭磨損的影響，選取兩相流彎頭進口入射速度工況分別為6m/s、9m/s、12m/s、15m/s；模擬計算中設定入口條件為Velocity inlet速度入口，出口條件為outflow充分發展出口，在求解過程中考慮湍流、等溫及穩態條件。

2.3 不同入射速度下的彎頭磨損比較

本模擬采用SOLIDWORKS進行三維建模，采用ICEM進行網格編輯及生成。在數值模擬過程中，用離散、迭代、收斂的方法對流體的基本控制方程、湍流模型、離散相模型、沖蝕磨損模型方程進行獨立求解，通過在Fluent中反復計算迭代保證算法收斂，得出了以下結果。

不同入射速度下的對彎頭沖蝕率分布云圖顯示，其中6m/s、9m/s、12m/s、15m/s的兩相流入射速度對應的彎頭最大沖蝕率分別為4.58×10-4kg/m2·s、9.60×10-4kg/m2·s、1.74×10-3kg/m2·s、2.69×10-3kg/m2·s，可看出隨著入射速度的增加彎頭沖蝕磨損急劇增加。此外，顆粒的沖蝕作用主要集中在彎頭外側內壁面，作用區域寬度較狹窄約為六分之一圓弧，周向長度較長，在彎頭不同角度的外側內壁面均有分布，其最大磨損位置隨入射速度的增加，逐漸向彎頭入口處下移。

不同入射速度下的彎頭內壁壓力云圖顯示，其 中6m/s、9m/s、12m/s、15m/s的 兩 相 流 入射速度對應的彎頭內壁壓力分別為1.13×102Pa、1.50×102Pa、1.98×102Pa、2.80×102Pa，隨著入射速度的增加彎頭內壁壓力隨之增加，并近似呈線性關系。從圖中還可看出，壓力作用區域主要集中在彎頭外側內壁面0～45°之間。而從不同入射速度下的顆粒軌跡圖可看出，在不同入射速度下顆粒軌跡分布基本一致，顆粒在彎頭內的停留時間隨速度增加而減少。

3 結語

通過對彎頭的磨損數值模擬可看出，氣固兩相流的入射速度彎頭磨損的影響有著十分顯著的影響，隨著輸送風速的提高沖蝕率大幅增加。為提高彎頭使用壽命，首先可考慮通過增加輸灰管管徑、控制灰氣比等方式降低氣固兩相流的流速；其次可針對性的在輸灰管線末端流速較高的位置，應用耐磨性能較好的彎頭。

物料顆粒對彎頭的磨損主要集中作用在彎頭外側內壁區域，作用區域寬度約為六分之一圓弧，周向長度較長，在彎頭不同角度的外側內壁面均有分布，但其最大磨損位置隨入射速度的增加逐漸向彎頭入口處下移。對此可根據模擬結果在對應區域加裝防磨罩或焊接襯板以提高彎頭耐磨性能；結合彎頭內壁壓力分布和彎頭的磨損機理，可推斷在彎頭外側內壁面0～45°區域主要以沖擊磨損為主，在內壁面45～90°區域主要以摩擦磨損為主，為提高彎頭整體的耐磨性能，在彎頭制作過程中可考慮在對應區域分別采用有較高接觸疲勞強度和有較好減摩性能的內襯材料。