基于弹塑性的局部腐蚀弯头有限元分析

王春雷 孙伟楠 于东林

摘 要：对于弹塑性的局部腐蚀弯头有限元，利用FLUENT软件，采用CFD方法对其进行分析，研究在不同腐蚀面积情况下弯头的剩余强度。研究结果表明，腐蚀面积越大，剩余强度越小。研究结果可以为弯头制造工艺的改良、重点冲蚀区域的监控提供一定参考。

关键词：弹塑性;局部腐蚀;弯头

中图分类号：TG17文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0056-02

Abstract： For the elastic-plastic local corrosion elbow finite element method， this paper used FLUENT software and CFD method to analyze it， and studied the residual strength of elbow under different corrosion areas. The results showed that the larger the corrosion area was， the smaller the residual strength was. The research results could provide some references for the improvement of elbow manufacturing process and monitoring of key erosion areas.

Keywords： elastic-plastic;local corrosion;elbow

弯头是化工管道系统中流体改向的重要零件，弯管不同于直管，随着高速高压的流体经过转角时，流体流动特性将会发生明显变化，导致转角处流动不稳定，流动特性复杂，造成腐蚀导致管件壁面减薄，对于管道造成安全隐患[1，2]。目前，国内外学者将精力更多集中在管道内部冲蚀过程的模拟实验，去验证已知结论，且在传统力学模型下进行分析，一方面对于已知结论的验证研究价值不明显，另一方面传统力學准则下分析的结果趋于保守。笔者将分析拓展至弹塑性范围内，对仍具有使用强度且存在腐蚀缺陷的弯头进行数值模拟，分析不同腐蚀程度下的弯头内部流体流动特性，研究结果对于弯头制造工艺的优化具有一定的借鉴价值。

1 计算模型

网格的划分情况是流场分析重点，对于三维流场分析，网格太细，计算耗时长，网格划分太粗糙，虽然计算用时短，但计算精度得不到保障。笔者进行了网格无关性验证，对壁面分别采用了10层、5层网格密度，经对比发现，在误差精度允许前提下，选用5层网节省模拟时间，网格模型如图1所示。弯头内通过高温高压流体时，在弯头拐角处腐蚀情况严重，但此区域仍具有剩余强度，具有使用寿命。对弯头转角处采取局部腐蚀模拟，用球形深坑模拟点蚀情况，分别建立10、20、30个深坑，采用相同的边界条件、相同网格密度进行分析研究，数模及其网格划分如图1所示。

2 计算结果与分析

图2为流场内流动流线图，A端流入，B端流出，在A端速度最大，随着流体流入冲击弯头转角处，速度大大降低，拐角处速度分布复杂，有高速流体也有低速流体，说明此区域速度突变情况明显，对于拐角处影响较大。不同腐蚀程度的弯头都有此特性，但随着腐蚀情况的变化，拐角处速度突变情况稍有差异，点蚀多的弯头处速度变化更为明显。流线图高度还原了流体在管道内的流动线路，与假设情况吻合。

图3为流场内部速度云图，由于点蚀的存在，速度云图的区分更为清晰，点蚀处速度突变尤为明显。从图中可以看出，点蚀量为30的弯头处，速度最大，相较于点蚀量为10、20的弯头速度最大偏差值约为0.6m/s。

对于反映管道内壁力学性能情况，剪力是一个重要指标，当多点蚀存在时，点蚀处为几何不连续处，几何形状的突变加剧了此处应力的变化。应力的变化幅度大，说明此区域发生疲劳破坏的可能性越大，疲劳的产生会加剧腐蚀处由于壁面变薄引起的穿晶腐蚀，从而导致管道最终断裂。

3 结论

①随着点蚀量的增加，受损三通的强度变得越来越低，点蚀量越大，弯头内部的最大流体速度、弯头的最大剪切力越大，弯头继续工作的隐患越大;②弯头转角处是冲蚀易磨损区域，此区域的壁面减薄情况最明显，应该对弯头转角处进行监控监测，做到及时发现问题，避免出现管件失效等问题;③传统弯头制造已是成熟工艺，但传统工艺中对于管件易损区域并而有很好的优化措施，对于弯头制造工艺的改良迫在眉睫，可以采用不等径壁厚加工工艺，对于弯头易损区域进行局部补强，弥补因局部壁面减薄而造成的潜在危害。

参考文献：

[1]曾涌捷.天然气管道弯头冲蚀失效机理研究[J].石油和化工设备，2011（2）：44-46.

[2]高福庆.管道检测的必要性[J].管道技术与设备，1998（1）：40-42.