水煤漿管道沖蝕磨損數值研究

余文岙，武建軍，張朝陽，杜明俊，晁 玲

（1.中國煤炭科工集團武漢設計研究院管道輸煤所, 湖北 武漢 430064；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司, 河北 任丘 062552）

水煤漿管道沖蝕磨損數值研究

余文岙1，武建軍1，張朝陽2，杜明俊2，晁 玲2

（1.中國煤炭科工集團武漢設計研究院管道輸煤所, 湖北 武漢 430064；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司, 河北 任丘 062552）

基于非牛頓冪率流體模型，結合水煤漿流變性及管內流動規律建立了水煤漿管道輸運控制方程，針對流體流經彎頭、變徑、三通、補償器等特殊管件過程進行三維數值模擬，分析了不同工況下管道內壁面剪切應力的分布規律，并給出了不同管件易發生磨損失效的具體位置，可為工程實際應用提供一定的理論指導。關 鍵 詞：水煤漿； 管道； 非牛頓流體； 沖蝕； 數值模擬

水煤漿作為一種新型代油煤基流體燃料，是上世紀70年代末世界石油危機之后開發出來的煤炭高新技術產品，其組分包括煤、水及相關添加劑，因其具有濃度高、粒度細、流動性好、燃燒效率高、負荷調節范圍大，環保節能、存儲安全等優點，被廣泛應用于電廠、鋼廠、石油煉化等企業的大型燃燒設備[1]。水煤漿多采用管道進行輸送，且在實際運行過程中，由于煤粉顆粒的摩擦腐蝕，會對管道安全帶來巨大隱患，尤其對于彎頭，三通，變徑等特殊管件是沖蝕磨損失效的常見部位，因此，研究水煤漿流經不同管件的沖蝕破壞過程具有實際意義。目前，人們對水煤漿輸送過程進行了大量的研究[2-6]，并取得了一些意義的成果，但對水煤漿管道沖蝕破壞的研究還很少，本文利用CFD軟件，對水煤漿管輸過程進行三維數值模擬，分析了不同管件內壁面剪切應力分布規律，計算結果可為工程實際應用提供一定的理論指導。

1 模型的建立

本文建立的彎管、三通管、補償器等的管徑均為300 mm，變徑管管徑分別為200 mm和350 mm,設計流速0.8 m/s，計算流態為層流，重力為z軸方向，流體流動滿足連續性方程和動量守恒方程，故描述三維穩態流動的控制方程如下：

(a) 連續性方程

式中：u，v，w—速度u在x,y,z3個方向的速度分量,m/s。

(b) 動量守恒方程

水煤漿的流變特性非常復雜，低濃度的水煤漿成牛頓流體性質，但當濃度達到某一數值后漿體又呈現出非牛頓流體性質。對于和時間無關的水煤漿的流變特性，符合非牛頓流體中的冪定流體模型，其剪切速率與剪切應力的關系如下：

式中：τ—剪切應力，Pa；

k—稠度系數，Pa·s；

γ—剪切速率，1/s；

n—流變系數。

方程（1）-（5）為計算水煤漿穩態流動的控制方程。

2 數值模擬及結果分析

通過對寧華神煤水煤漿的物性參數及流變特性進行測定，得出水煤漿的密度為1 280 kg/m3,濃度60%，屬于非牛頓流體，稠度系數0.532，流變指數1.053。采用結構化六面體網格對計算模型進行單元劃分，通過對 Herschel-Bulkley模型進行修訂可得到非牛頓冪率流體模型[7]。控制方程采用一階迎風格式進行離散，利用SIMPLE算法進行求解。

2.1 三通管沖蝕磨損數值分析

圖1給出了水煤漿流經三通管道穩態運行過程管內壁面剪切應力云圖。分析可知：當水煤漿流經三通管時，在管道上游及支管背側靠近分支處，剪切應力最大；在主管下游背側及支管前側剪切應力最小，這主要是由于流體流經三通時在叉管處分流，主管上游及支管背側剪切速度相對較大引起的，支管背側磨損最為嚴重。

圖1 三通管內壁面剪切應力云圖Fig.1 Wall shear stress nephogram in the three-way pipe

2.2 變徑管沖蝕磨損數值分析

圖2、3非別給出了逐漸變徑管及直接變徑管內壁面剪切應力云圖。由圖2分析可知：水煤漿流經逐漸變徑管時，隨著流動方向的不同，對內壁面產生的剪切應力差異較大，當流體流經減縮管時，在錐型管與細管接頭處剪切應力最大，且向上游，下游逐漸遞減；這主要是由于減縮管段，流通面積減小，剪切速率增大，增大沖刷磨損程度；相反，當流體流經突擴管時，上游細管壁面剪切應力最大，這主要是由于突擴管段流通面積大，剪切速率降低，沖刷磨損減弱。

圖2 逐漸變徑管內壁面剪切應力云圖Fig.2 Wall shear stress nephogram in the gradual reducer

由圖3分析可知：當水煤漿流經直接變徑管時與流經逐漸變徑管時相比，剪切應力的分布趨勢基本相同，但最大剪切應力數值差異較大。當流體流經直接減縮管時，細管壁面剪切應力相對較大，且向下游逐漸遞增，而當流體流經直接突擴管時，上游細管剪切應力相對較大，且靠近接頭處切向應力最大，為失效高發區。

圖3 直接變徑管內壁面剪切應力云圖Fig.3 Wall shear stress nephogram in the direct reducer

2.3 彎管沖蝕磨損數值分析

圖4、5分別給出了水煤漿流經90°彎頭及補償器時管內壁面剪切應力云圖。由圖4分析可知：當水煤漿流經90°彎頭時，壁面最大剪切應力分布在彎頭兩頰處而應力相對較大處則分布在彎管下游外拱壁面，且受重力的影響，應力集中在Z軸負方向一側的壁面上。這主要是由于當介質流入彎管后，管內流體流速由單一流向變為兩向流動。即：沿管道軸向的主流動和沿管道截面徑向閉合的二次流動。主流速度與下游彎管外拱壁面形成較大的沖擊角而二次流動較大沖擊角則出現在彎管壁面兩頰處，因此，出現如圖4所示的剪切應力分布云圖。

圖4 90°彎頭內壁面剪切應力云圖Fig.4 Wall shear stress nephogram in the 90o elbow

而當漿體流經補償器時，在流動方向上，每經過一個彎頭均會在其下游兩頰處產生較大切向應力。且隨著水煤漿在管內的流向不同，最大剪切應力差異較大，當漿體下行時在彎管內拱壁面產生的剪切應力最大，為失效高發區。

圖5 補償器內壁面剪切應力云圖Fig.5 Wall shear stress nephogram in the compensator

3 結論及建議

通過對水煤漿流經不同管件過程的三維數值模擬，得出了不同管件內壁面剪切應力分布云圖及易發生沖蝕磨損失效的具體位置，可為進一步研究水煤漿長輸技術提供一定的理論指導。隨著計算流體動力學的不斷發展和完善，研究水煤漿在管內流動規律已經取得了一定的進展,并提出了多個計算水煤漿管輸過程的數學模型，其中，非牛頓流體模型描述水煤漿管道輸送機理具有一定的優勢.但由于該模型把水和煤粉顆粒兩相作為單相流體處理,不考慮水和煤粉顆粒之間的滑移,認為煤粉顆粒的溫度等于水的溫度,且煤粉顆粒猶如流體中的組份一樣把實際存在的某種均相的或多相的混合介質抽象為一種充滿整個流場的連續介質，其擴散與流體組分的擴散相同，該模型一般只適用于顆粒尺寸足夠小,顆粒濃度足夠大或者液固兩相的密度比較接近,即動力學性質比較相似的液固兩相流中,因此，近一步研究適合水煤漿管輸過程的數學模型具有實際意義。

[1] 臧建兵.水煤漿管道輸送技術的探討與應用[D].撫順：遼寧石油化工大學，2007.

[2] 李 鵬.德士古氣化水煤漿管道設計[J].化工設備與管道，2007,44（5）:52-55.

[3] 趙國華,段鈺鋒,王秋粉,等.水煤漿管道輸送數值模擬研究進展[J].南京師范大學學報(工程技術版),2007,7（2）:18-22.

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Numerical Study on Erosion of Water-Coal-Slurry Pipeline

YU Wen-ao1,WU Jian-jun1,ZHANG Zhao-yang2，DU Ming-jun2,CHAO-ling2
(1.Wuhan Design&Research Institute of China Coal Technology & Engineer, Hubei Wuhan 430064,China; 2.China Petroleum Engineering Co., Ltd., North China Company, Hebei Renqiu 062552,China)

Based on the non-newtonian power-law fluid model and combined with rheology of the water-coal-slurry and flow rules in the pipeline, the control equation of the water-coal-slurry pipeline was established. Three-dimensional numerical simulation of fluid flowing in the special pipe including elbow, tee joint,compensator and so on was carried out, sheer stress distributing rule of the pipe inner surface under different working conditions was analyzed. Based on the above analysis, easy wear failure sites in the pipe were put forward, which can provide the theory instruction for engineering practice.

Water-Coal-Slurry; Pipeline; Non-newtonian fluid; Erosion; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2011）03-0297-03

2011-02-06

余文岙（1981-），男，湖北鐘祥人，助理工程師，研究方向：煤漿管道長距離輸送工藝及施工研究。E-mail：yuwenao1981@sina.com。