新型直角弯头的冲蚀磨损分析

魏 轲 宋德双 冯 鑫 黄芷薇

（长江大学 机械工程学院，荆州 434023）

管道运输与公路、铁路、空运、水运共同构成5大运输方式，其中管道具有输送量大、工程量小、损耗少等优点，在石油、化工、冶金等行业中发挥着不可取代的作用。近年来，页岩气、水合物等新能源勘探开发过程中，采出产物中携带固体颗粒的含量较高。根据研究，颗粒导致的冲蚀会对管道的安全运营造成严重威胁。因此，研究集输管线内颗粒冲蚀磨损规律，根据管线的冲蚀磨损情况提出有效的改进措施，具有十分重要的意义[1-3]。

1 冲蚀磨损机理

本文研究的弯头冲蚀靶材属于塑性材料。当颗粒同靶材表面发生碰撞后，在靶材表面产生冲击痕，并在颗粒碰撞的切削作用下，在颗粒运动方向另一侧造成材料堆积[4]。这些材料堆积在随后的颗粒冲击作用下从靶材表面脱落，从而造成靶材表面的材料损失。在材料堆积形成过程中，表面会发生绝热传热，使得表层下材料发生硬化，有助于材料堆积的形成。因此，稳态条件下材料的冲蚀磨损速率大于初始阶段的冲蚀磨损速率。

影响材料冲蚀磨损量的因素众多，如冲击速度、角度、时间、环境温度等环境因素，磨粒硬度、形状、尺寸等磨料性质，以及内部组织、力学性能、物理性质等。

其中，对冲蚀磨损影响最大的环境因素是流体的速度。速度越大的粒子，所拥有的动能越大，在一定的时间段内，粒子的冲蚀造成的体积损失会越大，造成的冲蚀后果更加严重，所以粒子的速度对于冲蚀率的影响有重要作用。单个粒子的动能大时，当其撞击所产生的撞击对壁面的影响也会增大。关于冲击速度与冲蚀磨损率间的数值关系，可以描述为：

式中：K为常数；v为冲击速度；n为速度指数，其值与金属材料有关。当金属材料为塑性材料时，n的取值为2.3～2.4。

固相颗粒与弯管内表面发生碰撞后会产生冲蚀破坏。为了计算整个管内不同部位的冲蚀损伤速率，采用冲蚀与沉积模型（Particle Erosion and Accretion Theory）对冲蚀损伤量进行计算。冲蚀速率Rerosion的定义如下：

式中：C(dp)是粒径函数；a是冲击角；f(a)是冲击角函数；v是颗粒相对速度；b(v)是粒子相对壁面运动的函数；Aface是单元面积。

2 新型直角弯头

如图1所示，该新型直角弯头包括缓冲腔1和弯头本体7，弯头本体7各端均铸有法兰盘，缓冲腔1与弯头本体7由螺栓2连接。弯头本体7右端和上端均通过法兰盘与直管部位相连接。弯头本体7的右端为气体入口端，上端为气体出口端。法兰盘处安装有密封圈5，螺栓2与螺母4之间有垫片3。气固两相流体通过右端进入直角弯头本体内，并在缓冲腔内形成低速涡流，涡流缓冲掉颗粒所具有的能量，以降低其对管壁的冲蚀。缓冲腔1为可拆卸结构，一方面是为了在受到冲蚀磨损后方便进行零部件替换，避免替换整个直角弯头造成较大的经济损失，另一方面便于对冲蚀较严重部位如图1所示圆角6部位喷涂涂层，以提高该部位的耐冲蚀程度。

3 新型直角弯头的耐冲蚀性能分析

3.1 离散相模型

为研究设计的新型直角弯头耐冲蚀磨损的有效性，建立常规直角弯头和新型直角弯头的数值计算模型，使用可形变部件模型（Deformable Part Model，DPM）计算管壁的冲蚀磨损情况[5]。所建立的数值模型中，常规直角弯头与新型直角弯头的内径均为70 mm，气体的流速为10 m·s-1，颗粒粒径为100 μm，颗粒质量流量为0.07 kg·s-1。

3.2 计算结果分析

由图2可以看出，改进后带有内倒角与缓冲腔的直角弯头相较于普通的直角弯头，冲蚀位置由原来的弯头内腔的外壁改变为两腔体相贯的倒角处附近，大大减少了冲蚀区域面积，降低了近1/3的最大冲蚀率。

改进后的直角弯头为缓冲腔与直通的法兰连接结构，为在角通内腔涂加耐冲蚀涂层提供了方便。因此，在缓冲腔与直角弯头装配前，从两结构连接处入手，在冲蚀较严重的区域（即圆倒角处）涂加耐冲蚀涂层（一般为氧化铝陶瓷），进一步减少弯头使用过程中发生的冲蚀，提高弯头的使用寿命。

4 结语

设计的带有缓冲腔结构的新型直角弯头相较于常规直角弯头具有更好的耐冲蚀性能。对比原始直角弯头，冲蚀位置由原来的弯头内腔的外壁改变为两腔体相贯的倒角处附近，在相同条件下，冲蚀区域面积大大减少，同时降低了最大冲蚀率。

通过法兰连接直角弯头与缓冲腔，缓冲腔为可替换的零件，可避免因冲蚀磨损失效后需要替换整个直角弯头造成的巨大经济损失。此外，这种结构便于在冲蚀较严重的倒角处喷涂耐磨涂层，进一步提高了弯头的整体使用寿命。