新型直角彎頭的沖蝕磨損分析

魏 軻 宋德雙 馮 鑫 黃芷薇

（長江大學 機械工程學院，荊州 434023）

管道運輸與公路、鐵路、空運、水運共同構成5大運輸方式，其中管道具有輸送量大、工程量小、損耗少等優點，在石油、化工、冶金等行業中發揮著不可取代的作用。近年來，頁巖氣、水合物等新能源勘探開發過程中，采出產物中攜帶固體顆粒的含量較高。根據研究，顆粒導致的沖蝕會對管道的安全運營造成嚴重威脅。因此，研究集輸管線內顆粒沖蝕磨損規律，根據管線的沖蝕磨損情況提出有效的改進措施，具有十分重要的意義[1-3]。

1 沖蝕磨損機理

本文研究的彎頭沖蝕靶材屬于塑性材料。當顆粒同靶材表面發生碰撞后，在靶材表面產生沖擊痕，并在顆粒碰撞的切削作用下，在顆粒運動方向另一側造成材料堆積[4]。這些材料堆積在隨后的顆粒沖擊作用下從靶材表面脫落，從而造成靶材表面的材料損失。在材料堆積形成過程中，表面會發生絕熱傳熱，使得表層下材料發生硬化，有助于材料堆積的形成。因此，穩態條件下材料的沖蝕磨損速率大于初始階段的沖蝕磨損速率。

影響材料沖蝕磨損量的因素眾多，如沖擊速度、角度、時間、環境溫度等環境因素，磨粒硬度、形狀、尺寸等磨料性質，以及內部組織、力學性能、物理性質等。

其中，對沖蝕磨損影響最大的環境因素是流體的速度。速度越大的粒子，所擁有的動能越大，在一定的時間段內，粒子的沖蝕造成的體積損失會越大，造成的沖蝕后果更加嚴重，所以粒子的速度對于沖蝕率的影響有重要作用。單個粒子的動能大時，當其撞擊所產生的撞擊對壁面的影響也會增大。關于沖擊速度與沖蝕磨損率間的數值關系，可以描述為：

式中：K為常數；v為沖擊速度；n為速度指數，其值與金屬材料有關。當金屬材料為塑性材料時，n的取值為2.3～2.4。

固相顆粒與彎管內表面發生碰撞后會產生沖蝕破壞。為了計算整個管內不同部位的沖蝕損傷速率，采用沖蝕與沉積模型（Particle Erosion and Accretion Theory）對沖蝕損傷量進行計算。沖蝕速率Rerosion的定義如下：

式中：C(dp)是粒徑函數；a是沖擊角；f(a)是沖擊角函數；v是顆粒相對速度；b(v)是粒子相對壁面運動的函數；Aface是單元面積。

2 新型直角彎頭

如圖1所示，該新型直角彎頭包括緩沖腔1和彎頭本體7，彎頭本體7各端均鑄有法蘭盤，緩沖腔1與彎頭本體7由螺栓2連接。彎頭本體7右端和上端均通過法蘭盤與直管部位相連接。彎頭本體7的右端為氣體入口端，上端為氣體出口端。法蘭盤處安裝有密封圈5，螺栓2與螺母4之間有墊片3。氣固兩相流體通過右端進入直角彎頭本體內，并在緩沖腔內形成低速渦流，渦流緩沖掉顆粒所具有的能量，以降低其對管壁的沖蝕。緩沖腔1為可拆卸結構，一方面是為了在受到沖蝕磨損后方便進行零部件替換，避免替換整個直角彎頭造成較大的經濟損失，另一方面便于對沖蝕較嚴重部位如圖1所示圓角6部位噴涂涂層，以提高該部位的耐沖蝕程度。

3 新型直角彎頭的耐沖蝕性能分析

3.1 離散相模型

為研究設計的新型直角彎頭耐沖蝕磨損的有效性，建立常規直角彎頭和新型直角彎頭的數值計算模型，使用可形變部件模型（Deformable Part Model，DPM）計算管壁的沖蝕磨損情況[5]。所建立的數值模型中，常規直角彎頭與新型直角彎頭的內徑均為70 mm，氣體的流速為10 m·s-1，顆粒粒徑為100 μm，顆粒質量流量為0.07 kg·s-1。

3.2 計算結果分析

由圖2可以看出，改進后帶有內倒角與緩沖腔的直角彎頭相較于普通的直角彎頭，沖蝕位置由原來的彎頭內腔的外壁改變為兩腔體相貫的倒角處附近，大大減少了沖蝕區域面積，降低了近1/3的最大沖蝕率。

改進后的直角彎頭為緩沖腔與直通的法蘭連接結構，為在角通內腔涂加耐沖蝕涂層提供了方便。因此，在緩沖腔與直角彎頭裝配前，從兩結構連接處入手，在沖蝕較嚴重的區域（即圓倒角處）涂加耐沖蝕涂層（一般為氧化鋁陶瓷），進一步減少彎頭使用過程中發生的沖蝕，提高彎頭的使用壽命。

4 結語

設計的帶有緩沖腔結構的新型直角彎頭相較于常規直角彎頭具有更好的耐沖蝕性能。對比原始直角彎頭，沖蝕位置由原來的彎頭內腔的外壁改變為兩腔體相貫的倒角處附近，在相同條件下，沖蝕區域面積大大減少，同時降低了最大沖蝕率。

通過法蘭連接直角彎頭與緩沖腔，緩沖腔為可替換的零件，可避免因沖蝕磨損失效后需要替換整個直角彎頭造成的巨大經濟損失。此外，這種結構便于在沖蝕較嚴重的倒角處噴涂耐磨涂層，進一步提高了彎頭的整體使用壽命。