耐磨管件磨損數值仿真及優化方案

杜占江　彭杏娜　叢相州　李新生　彭先寬

摘要：耐磨管件應用于電廠除灰管道設備當中，易因磨損失效導致泄露。使用數值模擬方法，利用歐拉方法和拉格朗日方法對氣力除灰用耐磨管件內的氣及固體顆粒的運動軌跡進行仿真計算。涉及的管件形式包括彎頭、常規三通及異形三通。預測了磨損容易失效位置及磨損速率大小分布情況。基于數值仿真結果，對某電廠的常規耐磨管件用堆焊襯板在易磨損位置進行了加強，給出了堆焊材料的化學成分及堆焊工藝參數。通過堆焊處理，延長了耐磨管件的使用壽命。

關鍵詞：耐磨彎管;數值仿真;堆焊;磨損

中圖分類號：TQ022 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0096-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.19

0 前言

耐磨管件是電站除灰管道設備中的重要零部件，其壽命直接影響到整個除灰系統的運行狀態。從目前一些電廠的運行經驗來看，耐磨管件的磨損區域分布不均勻，多數情況是耐磨管件的某個部位率先磨漏。因此，了解耐磨彎管的磨損分布情況，對優化耐磨彎管的結構設計有指導意義。目前主流耐磨管件產品為雙金屬復合結構，外部材質一般為碳鋼，利用其韌性和易焊接性，起支撐、連接作用，內部材料為高鉻鑄鐵，有焊接和鑄造兩種形式。數值模擬分析在管道的填充輸送管道沖蝕磨損[1]、管壁磨損的流體力學仿真[2]、多相流仿真[3-5]及雙套管氣力除灰輸送仿真[6]上均有應用。

1 數值模擬分析

1.1 方法簡介

對于氣固兩相流動模型的處理方法，按照對固體顆粒處理方式的不同可分為兩種：第一種是歐拉模型（即雙流體模型），它是將流體相和顆粒相當作充滿整個流場且相互作用的連續介質進行研究;第二種是拉格朗日模型（即顆粒軌跡模型），它是將氣體看作連續介質，將固體顆粒看作離散相，研究固體顆粒運動時各物理量的變化，即通過跟蹤固體顆粒運動軌跡來描述固體顆粒相的運動。由于本文的研究對象為較高濃度的顆粒（50%顆粒密度），所以歐拉模型為合適的預測彎管磨損的數值模擬方法。

雙流體模型屬于擬流體模型，當多相流動中只存在兩相時的擬流體模型即為雙流體模型。雙流體模型將顆粒相處理為類似流體的連續相（擬流體），認為顆粒相是與真實流體相互滲透的擬流體，兩相流場可看作兩種流體各自運動及相互作用的綜合表現。

1.2 仿真及分析

利用數值仿真計算空氣和煤灰顆粒兩相流對φ159×8耐磨管件內壁的磨損影響。稠密離散相為歐拉多相流模擬并考慮顆粒的粒徑分布，可用來模擬稠密顆粒流的模型。它考慮了顆粒的空隙率以及碰撞，但是顆粒間碰撞產生的力是根據KTGF下顆粒的應力張量計算得到，而非用軟球模型計算真實的碰撞過程。磨損云圖采用Oka方法計算磨損率。而Oka模型適用于小顆粒與固體壁面。在本次耐磨彎管模型，煤灰當作小顆粒，彎管壁面為固體表面。模擬型式分為：90°彎管、三通、異形三通A、異形三通B。

（1）90°彎管。

彎管的磨損仿真結果如圖1所示，氣和煤灰兩相流從入口注入，彎管外弧處磨損速率最高。

（2）三通。

體積分數分別為50%的煤灰分別從入口1與入口2注入，入口1 的煤灰沿管道方向徑直走向出口，而從入口2進入的煤灰首先要經過管道轉彎處，故此處磨損率最大。當入口1與入口2的煤灰匯合時，尤其是從入口2 進入的煤灰，因為切線速度的緣故，會沖向直管道的壁側，造成磨損。三通的磨損仿真結果如圖2所示，有兩處磨損嚴重，分別位于管道轉彎處與管道匯合處，最大處位于彎管外弧。

（3）異形三通A。

體積分數為50%的煤灰從入口注入沿直管行進，當遇到最終Y型分叉后，煤灰分別走向兩個出口管道，并在管道彎側造成磨損。異形三通A的磨損仿真結果如圖3所示，在兩個出口彎管外弧處磨損率最大。

（4）異形三通B。

煤灰從入口1與入口2注入，煤灰體積分數為50%。第一個磨損位置位于入口1所在彎管，因為其曲率大于入口2所在管道。當二者在Y型分叉匯合后，會有部分煤灰因為斜線速度的慣性作用，對直管道的壁側產生一定的磨損。異形三通B的磨損仿真結果如圖4所示，磨損率最大狀況出現在管道彎道處與接近分叉的直管處。

2 堆焊方案

根據以上耐磨彎管的磨損模擬仿真分析結果，對某電廠的耐磨管件預測的嚴重磨損部位加焊堆焊襯板予以補強。堆焊襯板母材材質為Q235B，根據《DL/T 680-2015電力行業耐磨管道技術條件》推薦的堆焊材料選取DNM-IV-G，堆焊層的熔敷金屬化學成分如表1所示。焊絲直徑為φ2.4 mm，采用埋弧焊進行堆焊，參照NB/T 47014-2011進行堆焊工藝評定。焊接工藝參數見表2，堆焊層硬度為HRC55，厚度約10 mm。

加焊耐磨襯板的管件在該電廠已安全運行超過12 000 h，而未改進的耐磨管件運行5 000～6 000 h后失效。

3 結論

（1）對4種型式的耐磨管件進行了數值仿真分析，預測了最大磨損位置，為實際工程耐磨彎管的修復及預防提供了借鑒。

（2）對某電廠的耐磨管件預測的嚴重磨損部位加焊堆焊襯板予以補強，大大延長了使用壽命。

參考文獻：

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