90°弯管内冲蚀磨损的试验研究和数值计算

许留云，胡泷艺，姚赛，李林辉，李翔

（1. 延安大学 化学与化工学院 ，陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000；2. 西安石油大学，陕西 西安 710065； 3. 中国特种设备检测研究院， 北京 100029）

90°弯管内冲蚀磨损的试验研究和数值计算

许留云1，胡泷艺2，姚赛1，李林辉1，李翔3＊

（1. 延安大学 化学与化工学院 ，陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000；2. 西安石油大学，陕西 西安 710065； 3. 中国特种设备检测研究院， 北京 100029）

通过将试验和数值计算相结合的方法，研究了 90°弯管的流场，确定了数值计算模型，即湍流模型选择 RNG k-ε模型，求解时选择 SIMPLE 求解器，冲蚀磨损的计算选择离散相模型（DPM 模型），计算结果表明：弯管中冲蚀磨损最严重的位置在弯管弯曲外侧 70°～90°之间。

弯管；冲蚀磨损；试验；数值计算

冲蚀磨损指流体以小颗粒的形式，按照一定的速度和不同的角度对材料的表面造成不同程度的冲击，这种冲击会使材料的表面产生损耗，严重时甚至会使管道发生泄露和爆炸现象。冲蚀磨损现象广泛地存在于石油化工、航天航空和能源机械等领域，是导致材料破坏甚至设备失效的主要原因之一[1]。90°弯管是石化工业中常见的管件，一般用来改变管道中流体的方向，由于其特殊的结构，其失效的概率也特别高，尤其在工况苛刻、相态复杂的石油化工管道中，甚至影响到了企业的安全生产，目前，管道的冲蚀磨损失效现象已经引起了国内外各学者的普遍关注。

2009 年 ， Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy 等，针对碳钢弯管失效严重的问题进行了讨论，并对防止弯管失效的方法进行了设计[2]。2010年，Crockett, Harold M.Horowitz, Jeffrey S.等，针对工业管道中流动腐蚀导致管道破裂和泄露而导致换管停工等状况，提出冲蚀损伤的机理和相应的解决措施[3]。2012 年，Chenliang Fan, Brenton S. McLaury, Siamack A. Shirazi等，通过利用电阻探头检测管道不同位置处流体的流速、流向、颗粒的含量等，证实在气体管道中，当流体速度一定时，若减少气体中固体颗粒的含量，将会大大地减少流体对管道的冲蚀磨损程度[4]。

国内学者也对管道的冲蚀磨损现象做了大量的研究，如 2015 年，郑思佳，张鹏等对输气管道弯头内壁面冲蚀进化进行了研究，结果显示，随着颗粒的冲击，磨损严重的区域向弯头圆心角高角度扩散的速度较大[5]；2016 年，宋金仓，张明星等探究了气-固两相流中颗粒对管道弯头的磨蚀机理，结果表明，颗粒在弯头内的轨迹是先汇聚、后发散，弯头壁面上颗粒汇集程度最大的位置也是磨蚀最严重的地方[6]；同年，王陈让和王少杰分析某天然气管道冲蚀破坏的规律，结果表明，进入管道的气流直接作用在对侧的壁面，大部分气流沿壁面向出口方向流动[7]。

为了更加准确地研究石化工业管道中流体对管道的冲蚀磨损情况，本文将利用pIV 流场测试技术对弯管内流体流场中的速度场进行测量，并与FLUENT 数值模拟计算的流场进行对比，确定数值

［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］郑思佳，张鹏，敬加强,等. 输气管路弯头内壁面冲蚀进化的试验和数值模拟研究[J]. 摩擦学学报，2015,35(6):754-760.

［6］宋金仓,张明星,林龙沅,等. 基于计算流体动力学的颗粒磨蚀管道弯头研究[J]. 中国粉体技术, 2016,22(1):2-5.

［7］王陈让, 王少杰. 某天 然气管道冲蚀破坏规律 分 析 [J]. 技 术 研究,2016,1:135.

［8］郑力铭. ANSYS Fluent15.0 流体计算从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2015.

［9］许留云,李翔，李伟峰，裴彦达.三通管中气液冲蚀磨损的数值模拟研究[J].当代化工,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

延安大学 2016 年度校级科研计划项目“多相流管道内冲蚀磨损严重部位的研究”项目号： YDQ2016-33。

2016-09-26

许留云（1990-），女，山东聊城人，助教，硕士，研究方向：压力容器及管道安全工程。E-mail：xuliuyun11@163.com。

李翔（1980-），男，高级工程师，博士，研究方向：承压设备安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn。