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弯管冲蚀磨损及累积冲蚀的规律分析

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弯管冲蚀磨损及累积冲蚀的规律分析

       冲蚀磨损在长年以来一直是工业研究的热点，这种磨损常常存在于管道运输等工业设备中。该磨损主要是固体颗粒或液滴以一定的速度冲向靶向材料而造成靶材损伤的过程。起初管壁会出现大小不一的冲蚀坑，经过一定时间后，流体将冲蚀掉的残屑彻底冲出管道，长期以往就会使得管壁减薄。此外，对于弯管来说，相比于直管要额外进行流体方向的改变，其所受冲蚀要远大于直管。对此，分析管道的冲蚀磨损机理与预测磨损寿命也是成为了众多学者研究的热点。

       本研究是在原油管道的冲蚀磨损条件下进行的。弯管竖直放置，入口方向与水平面方向平行，由左至右射入；出口方向与垂直面方向平行，由下至上射出。在原油管道冲蚀磨损研究背景下选择适当的参数、计算模型以及边界条件，使用Fluent仿真软件计算固-液两相对弯管造成的冲蚀磨损量，从而分析弯管冲蚀的机理及磨损趋势。

       弯管冲蚀受流速、颗粒物性、流体物性、工作压力等多条件影响。其中，流体速度对弯管的冲蚀速率影响最大。颗粒大小与冲蚀磨损速率呈正相关；冲蚀速率起初随着颗粒的增多而增大，但达到一定数量时，冲蚀速率将不会发生明显改变因为这时颗粒浓度增大，已严重破坏了原油的流线分布。颗粒的分布形式对弯管冲蚀的大小与分布也是有影响的，从位置分布与粒径分布上服从高斯分布的颗粒会产生更少的冲蚀坑，但会造成更大的冲蚀速率。流体粘度对冲蚀磨损速率影响不大，但是会严重影响弯头冲蚀坑的密集程度，原油粘度越大，与其颗粒共同造成的冲蚀坑群就越稀疏，这是因为粘度大的流体携带颗粒性能更好，并随流线流走，减小了颗粒与管壁的碰撞概率。

       考虑到时间成本因素，使用Fluent软件进行实际工况下70秒的累积冲蚀磨损仿真。在累积冲蚀的过程中，产生最大冲蚀速率的位置是不一致的，须根据总次数的累积计算磨损厚度才能评判最大冲蚀磨损厚度位置。起初一般容易产生在弯管壁面的中间位置，随着时间的变化，逐渐向管壁出口方向逼近，但还在处于弯头范围。对于冲蚀磨损深度而言，管壁减薄率与时间大致呈线性关系。冲蚀减薄不应该仅由某一深度决定，还应由冲蚀坑的长度、宽度表征。蚀坑整体呈半椭球形，并随着时间的增加进行累积。蚀坑不管是长度还是宽度方向，其冲蚀分布均满足高斯分布。但是，蚀坑长度发展方向由于坑已经存在，相同位置射入的下一发颗粒大概率打到该坑的上部，从而形成了新的蚀坑，也即更容易有其他颗粒对蚀坑长度方向进行冲击，因此最大的蚀坑沿长度方向会形成多个新产生的蚀坑，这些新产生的蚀坑不断发展，最终将形成更大的冲蚀坑，长度方向上对应蚀坑形貌更趋近于犁削形状。无论长轴还是短轴，其长度的扩展速率均呈指数增长。

    尖锐的颗粒虽然能造成更大的冲蚀磨损量，但在多次的冲蚀的过程中，尖锐颗粒冲击同一位置管壁的概率会大大减小，且冲蚀磨损量随着时间呈阶梯状增大。经过一定时间后，最危点对应的磨损量将低于圆形颗粒造成的磨损量。