基于彈塑性的局部腐蝕彎頭有限元分析

王春雷 孫偉楠 于東林

摘 要：對于彈塑性的局部腐蝕彎頭有限元，利用FLUENT軟件，采用CFD方法對其進行分析，研究在不同腐蝕面積情況下彎頭的剩余強度。研究結果表明，腐蝕面積越大，剩余強度越小。研究結果可以為彎頭制造工藝的改良、重點沖蝕區域的監控提供一定參考。

關鍵詞：彈塑性;局部腐蝕;彎頭

中圖分類號：TG17文獻標識碼：A文章編號：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

彎頭是化工管道系統中流體改向的重要零件，彎管不同于直管，隨著高速高壓的流體經過轉角時，流體流動特性將會發生明顯變化，導致轉角處流動不穩定，流動特性復雜，造成腐蝕導致管件壁面減薄，對于管道造成安全隱患[1，2]。目前，國內外學者將精力更多集中在管道內部沖蝕過程的模擬實驗，去驗證已知結論，且在傳統力學模型下進行分析，一方面對于已知結論的驗證研究價值不明顯，另一方面傳統力學準則下分析的結果趨于保守。筆者將分析拓展至彈塑性范圍內，對仍具有使用強度且存在腐蝕缺陷的彎頭進行數值模擬，分析不同腐蝕程度下的彎頭內部流體流動特性，研究結果對于彎頭制造工藝的優化具有一定的借鑒價值。

1 計算模型

網格的劃分情況是流場分析重點，對于三維流場分析，網格太細，計算耗時長，網格劃分太粗糙，雖然計算用時短，但計算精度得不到保障。筆者進行了網格無關性驗證，對壁面分別采用了10層、5層網格密度，經對比發現，在誤差精度允許前提下，選用5層網節省模擬時間，網格模型如圖1所示。彎頭內通過高溫高壓流體時，在彎頭拐角處腐蝕情況嚴重，但此區域仍具有剩余強度，具有使用壽命。對彎頭轉角處采取局部腐蝕模擬，用球形深坑模擬點蝕情況，分別建立10、20、30個深坑，采用相同的邊界條件、相同網格密度進行分析研究，數模及其網格劃分如圖1所示。

2 計算結果與分析

圖2為流場內流動流線圖，A端流入，B端流出，在A端速度最大，隨著流體流入沖擊彎頭轉角處，速度大大降低，拐角處速度分布復雜，有高速流體也有低速流體，說明此區域速度突變情況明顯，對于拐角處影響較大。不同腐蝕程度的彎頭都有此特性，但隨著腐蝕情況的變化，拐角處速度突變情況稍有差異，點蝕多的彎頭處速度變化更為明顯。流線圖高度還原了流體在管道內的流動線路，與假設情況吻合。

圖3為流場內部速度云圖，由于點蝕的存在，速度云圖的區分更為清晰，點蝕處速度突變尤為明顯。從圖中可以看出，點蝕量為30的彎頭處，速度最大，相較于點蝕量為10、20的彎頭速度最大偏差值約為0.6m/s。

對于反映管道內壁力學性能情況，剪力是一個重要指標，當多點蝕存在時，點蝕處為幾何不連續處，幾何形狀的突變加劇了此處應力的變化。應力的變化幅度大，說明此區域發生疲勞破壞的可能性越大，疲勞的產生會加劇腐蝕處由于壁面變薄引起的穿晶腐蝕，從而導致管道最終斷裂。

3 結論

①隨著點蝕量的增加，受損三通的強度變得越來越低，點蝕量越大，彎頭內部的最大流體速度、彎頭的最大剪切力越大，彎頭繼續工作的隱患越大;②彎頭轉角處是沖蝕易磨損區域，此區域的壁面減薄情況最明顯，應該對彎頭轉角處進行監控監測，做到及時發現問題，避免出現管件失效等問題;③傳統彎頭制造已是成熟工藝，但傳統工藝中對于管件易損區域并而有很好的優化措施，對于彎頭制造工藝的改良迫在眉睫，可以采用不等徑壁厚加工工藝，對于彎頭易損區域進行局部補強，彌補因局部壁面減薄而造成的潛在危害。

參考文獻：

[1]曾涌捷.天然氣管道彎頭沖蝕失效機理研究[J].石油和化工設備，2011（2）：44-46.

[2]高福慶.管道檢測的必要性[J].管道技術與設備，1998（1）：40-42.