高压管汇弯头仿生结构冲蚀规律_李润.pdf

2023 年 第 1 期 化学工程与装备 2023 年 1 月 Chemical Engineering&Equipment 1 高压管汇弯头仿生结构冲蚀规律高压管汇弯头仿生结构冲蚀规律1 1 李 润，郭开宜，陈杨君，胡佳怡，曾 云（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）摘摘 要要：非常规油田开采需要高压管汇对压裂液进行输送，输送过程中，固相颗粒对管道的内壁造成冲蚀磨损，降低管道的寿命。为探究管道减磨、抗磨的方法，本文以 90弯头为对象，建立了耦合仿生模型。采用数值模拟、理论分析的手段，对设计的圆形、三角形、六边形三种耦合仿生抗冲蚀内表面模 型分析，结果表明四种模型均随着质量流量增加和速度提高呈现冲蚀率上升趋势,但同种工况下圆形壁面最大冲蚀率最低，光滑壁面最大。圆形壁面可降低冲蚀速率 91%。该研究对油气输送管道的理论设计和实际应用提供指导意义。关键词：关键词：仿生；弯管；冲蚀速率；高压管汇；数值模拟 基金基金项目项目：长江大学大学生创新创业项目“一种高压管汇功能仿生表面弯头”（编号：Yz2020138）引引 言言 在油气管输送中，颗粒对管道内壁容易形成冲蚀磨损，造成的材料损耗，液态流体和高速气流中一般会含有固体小颗粒，而这些小固体粒子对材料表面的冲击作用会造成材料的损耗。造成了服役寿命不高,亟须提升其疲劳寿命，在过去几十年对冲蚀的研究中，许多学者 1-2对管汇冲蚀失效因素进行了多方面的分析，润滑程度、表面几何形态、材料性能和结构对材料的耐磨性都有很大的影响3。而提高耐磨性成本最低的方法就是使用更耐磨的表面几何形态。众多学者关于冲蚀速率计算模型的研究方法采用试验研究和数值计算相结合，通过壁面减薄法和失重法测定试样的冲蚀速率4-5。这些方法在结果的检测上存在一定的误差，而随着研究的深入，一些学者发现自然界存在一些生物天然抗风沙冲蚀6-7，并提出了通过仿生的方式以减少冲蚀速率。本文通过对普通弯头的模拟仿真并结合学者8提出的冲蚀理论进行总结归纳，提出一种在冲蚀严重处的内壁设计仿生结构以缓冲流体的弯头结构，以减少颗粒对管壁的冲蚀，并采用 fluent 软件对仿生弯头和普通弯头的冲蚀速率进行计算，提出更耐磨的弯头结构。1 1 数学物理模型数学物理模型 1.1 数学模型 本文针对油气输送管道的冲蚀现象进行分析，其数值模拟方法基于标准欧拉多相流模型，假定固相和气相直接没有温度传递，为非牛顿流体且流体为不可压缩流，连续性和动量方程如下：()()0fffffvt +=（1）()()()Tffffffffffffffvv vpvvgt +=-+（2）上式（1）（2）中，v，和p分别表示体积分数、密度、速度和压力，其中下标f表示流体相。实际上，体积分数和速度场是根据拉格朗日方法求取的，该方法通过将力平衡积分到每个颗粒上来计算每个颗粒的轨迹。此外，基于DPM 方法中所使用的力来获得两相之间的交换力。颗粒运动的轨迹控制方程写为：()3()4sfssffdfsffsssssssuvgCdummvummvvdtd-=-+（3）等式（3）右侧的前三个项分别代表阻力，浮力和压力梯度力。冲蚀速率计算模型如下：科学研究与开发科学研究与开发 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.0822 李 润：高压管汇弯头仿生结构冲蚀规律 ()()()1particlesb vNpperosionPfacem C dfvRA=（4）式中：pm颗粒的质量流量；()pC d常数，一般取91.8 10-；faceA管壁面的面积；颗粒路径与壁面间冲击角；f冲击角函数，其值为 1；v颗粒相对速度；bv（）颗粒冲击速度指数，默认为 0。其中，()pC d、f及bv（）均为壁面边界条件，并不是材料属性，其值均由大量实验验证获取。1.2 物理模型 采用 ANSYS-workbench 软件建立常规二维的 90光滑壁面，六边形内表面，三角形壁面和圆形壁面四种弯管模型。（其中 H 和 L 为 10m，内半径 R1 为 3m，外半径 R2 为 8m，入口和出口为 5m）模型如图 1：光滑壁面 六边形壁面 三角形壁面 圆形壁面 图图 1 1 弯管模型弯管模型 2 2 讨论与分析讨论与分析 2.1 四种结构冲蚀速率对比 运用 ANSYS-fluent 软件对四种不同结构的弯管进行数值模拟，根据现场工况，选用颗粒粒径 425um，流体速度10m/s，质量流量 1.2kg/s，介质为水，流速 10m/s。边界条件设置采用速度入口（velocity-inlet）和自由出口（outflow），其余边界设置为壁面。湍流模型采用 standard k-模型,近壁区采用标准壁面函数法,壁面采用无滑移边界条件。CFD 数值模拟四种管道的冲蚀速率结果如下图 2 所示 光滑壁面 六边形壁面 三角形壁面 圆形壁面 图图 2 2 冲蚀速率云图对比冲蚀速率云图对比 由图 2 可知，在光滑壁面结构中，最大冲蚀率出现在靠近出口直管端外壁处。六边形壁面结构中，虽然最大冲蚀率有一定的降低，但是出现在了弯头外壁凹槽结构中，这不利于管道的抗冲蚀性能的提升。三角形表面和圆形壁面仿生结构对比，后者最大冲蚀速率降低为前者的四分之一，具有明显的降低冲蚀速率的作用，且最大冲蚀速率都是靠近出口直管端外壁处，在后续的改进中，可以针对此处进行提升。2.2 流速和质量流量对四种弯管模型冲蚀速率的影响 根据文献，对冲蚀速率影响最大的为流体的流速和质量流量，因此，本文设置了多种工况的流体流速和多种工况的质量流量来进行冲蚀速率的仿真分析。结果如下：分析图 3（a）数据可以发现，在 1.2kg/s 质量流量下普通弯管的冲蚀速率随着流速的逐渐增大由 3.69E-07 kg/m2.s-1 上升到 2.86E-06kg/m2.s-1，发生了一个数量级的变化，而仿生圆形弯管的冲蚀速率从 3.11E-08 kg/m2.s-1上升到 2.27E-07 kg/m2.s-1，同样是随着流速的上升冲蚀速率上升了一个数量级。但是从图可以发现，仿生抗冲蚀内表面弯管的冲蚀速率都要低于普通弯管，且圆形仿生壁面的冲蚀速率是三种仿生模型中冲蚀率最低的，这说明仿生抗冲蚀弯头在减少冲蚀速率上具备一定的效果。李 润：高压管汇弯头仿生结构冲蚀规律 3 由图 3（b）可以发现，包含光滑壁面的四种模型在同种流速工况下随着质量流量的增加都呈现冲蚀速率升高的现象,且随着质量流量的提高，仿生抗冲蚀内表面弯管的冲蚀速率都要低于普通弯管，其中圆形壁面最大冲蚀速率最低，相比于光滑壁面降低了 91%。这是由于凹坑的部分区域改变了原本的流场，对经过此处的流体有一定的缓冲作用，最终降低冲蚀速率。（a）流量为 1.2kg/s 不同流速冲蚀速率对比 （b）速度为 10m/s 不同质量流量冲蚀速率对比 图图 3 3 不同流速和不同流速和不同不同质量流量质量流量下下四种弯管模型四种弯管模型冲蚀速率对比冲蚀速率对比 3 3 结结 论论 冲蚀磨损是管汇失效的主要原因之一，为探索提升抗冲蚀性能，基于耦合仿生设计，采用 CFD 方法对不同结构的弯管冲蚀速率进行了数值模拟，其主要结论如下：（1）具有仿生抗冲蚀内表面的弯头可以明显减小冲蚀速率，相比于普通弯管降低了 91%，这为弯管的改进起到指导作用。（2）管道结构中弯管出口方向是最容易发生冲蚀的区域，在弯管的制造时可以选择涂层、加厚或者采用更耐冲蚀的材料来改进，从而减缓冲蚀磨损，延长使用年限。（3）随着流速的增大和质量流量的增大，弯管的冲蚀速率都具有上升趋势，因此，在实际工况中尽量减小流体流速和质量流量。参考文献参考文献 1 许留云,胡泷艺,李翔.90弯管冲蚀磨损的数值模拟研究J.当代化工,2016,45(09):2240-2243.2 邓佳丽.弯头冲蚀规律的数值模拟J.管道技术与设备,2015(02):13-15.3 陈双坤,吴刚.仿生耐磨设计的研究现状及展望J.机械工程师,2012(09):45-48.4 J.K.Edwards,B.S.McLaury,S.A.Shirazi.Evaluation of Alternative Pipe Bend Fittings in Erosive ServiceC/In Proceedings of ASMEFEDSM00:ASME2000 Fluids Engineering Division Summer Meeting.2000.5 J.K.Edwards,K.Jeremy,B.S.McLaury,et al.Supplementing a CFD Code withErosion Prediction CapabilitiesC/In Proceedings of ASMEFEDSM98:ASME.1998.6 Washington DC:Fluids Engineering Division Summer MeetingC.1998.6 谢振强,曹学文,吴超,等.弯管固体颗粒冲蚀理论与防冲蚀研究进展J/OL.表面技术:2021:1-11.2021-08-08.7 杨锟,董云山,司风琪.仿生表面减磨特性的数值模拟研究J.材料科学与工艺,2021,29(01):1-8.8 季楚凌,李长俊,马树锋,等.弯管仿生耐磨方法数值模拟J.中南大学学报(自然科学版),2016,47(10):3582-3589.