基于Finnie的船舶管系的磨粒腐蝕仿真模擬

陳玉蘭

摘 要：輸送燃油，壓縮空氣，生活用水等管道流體中常混有固體污染物顆粒。固體顆粒的混入初期引發磨粒磨損，損傷金屬表層防護層及其金屬材料的變形、刮傷等，在后期更可能導致應力腐蝕，電化學腐蝕等腐蝕磨損，進一步惡化管路系統。本文通過對管道腐蝕情況進行仿真模擬獲得其在不同模型下的90°彎管的腐蝕磨損率，可便于更有效經濟的設計，同時也對磨粒腐蝕及其防護方式的正確性進行了驗證。

關鍵詞：船舶管系;Finnie模型;磨粒磨損;腐蝕磨損率

0 引言

船舶管路系統可分為動力管系與輔助管系。無論是何種管系，其過濾與濾清器的作用有限，難免造成硬質顆粒的混入，尤其是在濾器前段，顆粒物的混雜量更為可觀。顆粒在流動中的慣性和湍流分散會使它們撞擊管壁，對管壁的沖擊使表面材料變形或剝離。除了對管道內表面造成損傷之外，固體污染物顆?？赡軗p壞管道內的耐腐蝕層或從內表面移除化學抑制劑，從而暴露管壁中可能更容易腐蝕的材料。

1 模型的準備

1.1 Finnie模型

壁面由于顆粒的沖蝕效應造成的磨損是關于顆粒沖擊、顆粒及壁面屬性的復雜函數。對于大多數金屬，沖蝕可認為是粒子沖擊角及速度之間的函數，定義沖蝕速率為沖擊到壁面上的顆粒動能的函數（n=2），其表示為[3-4]：

其中：為顆粒的沖擊速度，依據材料而定，如管壁材料為淬火鋼時，沖擊角為顆粒軌跡與壁面的夾角（以弧度為單位），指數n通常取2.3-2.5（金屬）。

2 基本假設

假設1：固體污染物顆粒的直徑均相等，均為0.7mm。

假設2：由兩個直的圓柱形管段組成，直線部分通過90°彎頭連接。

假設3：xy平面是對稱平面。

假設4：管系中流體為不可壓縮的流體。

3 模型的仿真

CCS規定[1]，貨油管系及開式管系一般為III級管系，其滑油、燃油管系要求為設計壓力≤0.7MPa，設計溫度≤60℃，有安全保護措施的管系一般為II級管系，滑油、燃油管系要求為設計壓力≤1.6MPa，設計溫度≤150℃。船舶管徑的選擇遵從：

其中D為管路內徑，為管內流體質量流量，為流體流速，為流體密度。因此合適的管徑，流速，流體之間的匹配，不僅影響到輸送質量，也影響到初投資成本。

鋼管90°彎頭，取公稱通徑DN=50cm，壁厚t=7cm，彎曲半徑為R=50cm，管路的速度為16m/s。管道還以0.6kg/h的速率輸送固體顆粒。每個管段長50cm，直徑20cm。固體顆粒由流體通過90°管彎頭攜帶。模型根據管道直徑，雷諾數，需要具有壁函數的湍流模型。本文選用相比于k-ε模型，對于涉及強流線曲率的流動更準確的k-ω模型[2]。其仿真效果如下圖所示：

顯然，固體顆粒只能在掠射角處撞擊表面。管路彎頭計算所得表面的腐蝕磨損率：在彎頭表面掠射角出腐蝕磨損率最大，且越向外圍，粒子的沖擊作用越強，在管壁內部可能引起應力腐蝕與防護層剝落的問題。

因此，船舶管系的維護與保養關注點除截面面積突變處外，彎頭處的損傷也不容忽視。如定期加入高品質清潔劑，定期更換與清洗濾器，加強對船舶管系彎頭處的探傷，及時修復與更換等以免引起進一步的損傷，甚至引起泄漏事故。

參考文獻：

[1]CB/Z 345-2008，船舶管系布置和安裝工藝要求[S].中國：船舶行業標準（CB），2008-10-01.

[2]F.Menter，“Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows，”AIAA Paper #93-2906，24th Fluid Dynamics Conference，July 1993.

[3]Hutchings，I.M.，“Mechanical and metallurgical aspects of the erosion of metals”，Proc.Conf.on Corrosion-Erosion of Coal Conversion System Materials，NACE（1979）393.

[4]Dosanjh，S.，and Humphrey，J.A.C.，“The influence of turbulence C on erosion by a particle laden fluid jet，Wear”，V.102，1985，pp.309-330.