曹輝祥,陳小榆,徐婧源

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500) (2.中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213)

沖蝕磨損一般是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對物體表面進(jìn)行沖擊發(fā)生材料損耗的一種現(xiàn)象或過程。沖蝕磨損廣泛存在于機械、能源及運輸?shù)仍S多工業(yè)部門，已成為引起設(shè)備失效或材料破壞的一個重要原因。

為有效控制和減少沖蝕磨損造成的損耗，提高設(shè)備和材料的使用壽命，近年來國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究[1-2]，一些學(xué)者根據(jù)不同機理模擬和試驗提出了大量的沖蝕理論和模型[2-9]；一些學(xué)者主要研究了不同沖蝕因素下管道沖蝕速率，提出了包含不同因素的沖蝕率預(yù)測方程[10-15]；一些學(xué)者通過數(shù)值模擬著重分析了顆粒運動軌跡并提出了彎管抗沖蝕優(yōu)化措施[16-17]。

由于材料沖蝕特性的復(fù)雜性，目前尚未形成普遍適用的沖蝕機理來判定材料受沖蝕程度，現(xiàn)場管道受沖蝕影響而導(dǎo)致管壁嚴(yán)重減薄和穿孔現(xiàn)象時有發(fā)生，為此以現(xiàn)場管道結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場可檢測的工藝參數(shù)分析了氣固兩相流管道受沖蝕規(guī)律，并提出一種氣動防磨的管道結(jié)構(gòu)，以期為現(xiàn)場掌握管道沖蝕規(guī)律、有效減緩受沖蝕程度提供參考。

1 氣固兩相流管道沖蝕模擬

1.1 氣固兩相流管道沖蝕模型

1.1.1氣相方程

管道內(nèi)為氣固兩相流，氣相作為連續(xù)相，其相控制方程如下：

(1)

(2)

式中：ρ為氣相密度，kg/m3；t為時間，s；vi,vj為氣相速度分量，m/s；xi,xj為空間坐標(biāo)，i≠j；p為壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量；ρgi為重力分量，N；SD為顆粒相對連續(xù)相作用的附加源項。

1.1.2固相方程

固相作為離散相，假設(shè)顆粒為非規(guī)則球形，顆粒碰撞不會造成管道變形。固體顆粒的受力方程如下：

(3)

式中：vp為顆粒速度；vf為氣相速度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；Res為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；gy為y軸方向的重力加速度；Fx為x軸方向的其他作用力，包括虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力等；a1，a2，a3為系數(shù)，取值見參考文獻(xiàn)[18]；μ為氣體黏度，Pa·s。

1.1.3模型建立與求解

現(xiàn)場氣固兩相流管道通常由管段和閥門組成，彎管均為90°直角彎管，生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)閥的開度來控制流體速度。為模擬管道在氣固兩相流作用下的沖蝕行為，基于有限元方法，利用FLUENT軟件建立了氣固兩相流管道沖蝕模型。

根據(jù)實際工況，確定建模條件：固體顆粒直徑20μm，形狀系數(shù)0.8，調(diào)節(jié)閥開度30%(即調(diào)節(jié)閥流通面積約占管道流通的13%)，管徑DN100(D14.3mm×4.5mm)，氣體流量分別取200×104N·m3/d、250×104N·m3/d和300×104N·m3/d，固體量分別取2.0kg、3.0kg和6.5kg，壓力為1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、3.5MPa、4.0MPa和4.5MPa。

利用FLUENT軟件對氣固兩相流管道進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用RNGk-ε模型，使用三維隱式分離求解器，控制方程的離散相采用有限單元體積法；流-固耦合采用SIMPLE算法，利用歐拉法對氣相進(jìn)行求解，利用拉格朗日法對通過流場的固體顆粒進(jìn)行跟蹤，通過對氣固兩相流管道進(jìn)行多工況下沖蝕模擬確定了氣固兩相流管道沖蝕最嚴(yán)重部位，得到了各工藝參數(shù)對氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，降低沖蝕率。

1.2 沖蝕模擬計算

1.2.1沖蝕最嚴(yán)重部位確定

通過對不同氣體流量、不同壓力和不同固體量條件下的沖蝕模擬，圖1～圖3列出了部分沖蝕云圖，得到氣固兩相流管道沖蝕最嚴(yán)重部位。

圖1 固體量3.0kg、壓力2.0MPa時，不同氣體流量下的沖蝕速率云圖

圖2 氣體流量300×104N·m3/d、壓力4.0MPa時，不同固體量下的沖蝕速率云圖

圖3 氣體流量300×104N·m3/d、固體量6.5kg時，不同壓力下的沖蝕速率云圖

從圖1～圖3可以看出，閥后彎管是沖蝕最嚴(yán)重部位，且沖蝕最嚴(yán)重部位不隨工況參數(shù)變化而移動。這是因為調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用，使得閥后流體壓力降低，流速增大，從而使得閥后彎管沖蝕較閥前彎管更為嚴(yán)重。

1.2.2最大沖蝕率和顆粒沉積密度變化規(guī)律分析

對不同氣體流量、不同壓力和不同固體量條件下進(jìn)行沖蝕模擬。

1.2.2.1氣體流量的影響規(guī)律

對一定壓力和固體量下、不同氣體流量對應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖4，5所示。

從圖4，5可以看出，不同固體量和壓力下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨氣體流量變化的趨勢相同，即在壓力和固體量一定的前提下，隨著氣體流量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度減小。

圖4 一定壓力和固體量下，最大沖蝕率隨氣體流量變化曲線

圖5 一定壓力和固體量下，顆粒沉積密度隨氣體流量變化曲線

1.2.2.2壓力的影響規(guī)律

對一定氣體流量和固體量下、不同壓力對應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖6，7所示。

圖6 一定氣體流量和固體量下，最大沖蝕率隨壓力變化曲線

圖7 一定氣體流量和固體量下，顆粒沉積密度隨壓力變化曲線

從圖6，7可以看出，不同氣體流量和固體量下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨壓力變化的趨勢相同，即在氣體流量和固體量一定的前提下，隨壓力增加，最大沖蝕速率減小，顆粒沉積密度增大。

1.2.2.3固體量的影響規(guī)律

對一定氣體流量和壓力下、不同固體量對應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖8，9所示。

圖8 一定氣體流量和壓力下，最大沖蝕率隨固體量變化曲線

圖9 一定氣體流量和壓力下，顆粒沉積密度隨固體量變化曲線

從圖8,9可以看出，不同氣體流量和壓力下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨固體量變化的趨勢相同，即在氣體流量和壓力一定的前提下，隨著固體量的增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度增大。

1.2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述分析可知，一方面彎管內(nèi)部流線的急速折轉(zhuǎn)和流動截面積的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角區(qū)域流體速度集中、速度梯度變大和湍流度增大，使得彎管沖蝕程度大于直管段；另一方面，受調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓作用影響，閥后流體壓力降低，流速增大，因而調(diào)節(jié)閥后彎管是氣固兩相流管道受沖蝕最嚴(yán)重部位。為緩解閥后彎管沖蝕程度，對閥后彎管進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：將彎管改為盲三通結(jié)構(gòu)，并通過沖蝕模擬驗證了優(yōu)化效果。圖10,11分別給出了改進(jìn)前后氣固兩相流管道物理模型，即氣體流量200×104N·m3/d、壓力2.0MPa、固體量3.0kg工況下改進(jìn)前后管道沖蝕速率云圖。

以氣體流量200×104N·m3/d、固體量3.0kg、壓力分別為2.0MPa、3.5MPa和4.5MPa設(shè)置3種工況，分別計算并對比了兩種結(jié)構(gòu)型式下氣固兩相流管道最大沖蝕率。見表1。

圖10 改進(jìn)前后氣、固兩相流管道物理模型

圖11 200×104N·m3/d、壓力2.0MPa、固體量3.0kg工況下沖蝕速率云圖表1 閥后彎管優(yōu)化前后管道最大沖蝕率對比結(jié)果

工況優(yōu)化前最大沖蝕速率/(10-4kg·m-2·s-1)優(yōu)化后最大沖蝕速率/(10-4kg·m-2·s-1)最大沖蝕率降低比例/%10.510.2551.920.190.0952.630.130.0746.2

從表1可以看出，將閥后彎管改進(jìn)為盲三通結(jié)構(gòu)，管道最大沖蝕率降低約50%，這是由于盲三通結(jié)構(gòu)使相對于流體的流動方向存在一個“空腔”，空腔通過對流場的干擾作用形成流體密集堆積區(qū)，使堆積的固體顆粒代替彎管承受流體沖擊，從而減小了流體對管壁的沖蝕。

2 結(jié)論

1)對于含節(jié)流元件的氣固兩相流管道，調(diào)節(jié)閥后彎管是沖蝕最嚴(yán)重部位，且沖蝕最嚴(yán)重部位不隨工況變化而改變。

2)最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨氣體流量、壓力和固體量的變化規(guī)律是：隨著氣體流量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度減??；隨壓力升高，最大沖蝕速率減小，顆粒沉積密度增大；隨著固體量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度增大。

3)對于含節(jié)流元件的氣、固兩相流管道，將調(diào)節(jié)閥后彎管改為盲三通結(jié)構(gòu)，管道最大沖蝕率降低約50%，有效起到了氣動防磨效果。