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摘要：本文在Workbench平台下利用Fluent建立了90°弯管冲刷腐蚀模型，研究固液两相流流经90°弯管处固体颗粒对其造成冲刷腐蚀下的流速、压力、冲蚀速率的变化特点，并分析了最大冲蚀速率与流速、颗粒直径、颗粒流量质量的变化关系。结果表明：弯管处流场变化复杂，弯管外侧相比于内侧流体流速小、压力大、壁面冲蚀速率大，而最大冲蚀速率发生在弯管外侧靠近入口段处。冲蚀速率敏感性结果表明：较大的流速、颗粒直径、颗粒质量流量会对管壁造成更加严重的冲刷腐蚀。
关键词：弯管；固体颗粒；冲刷腐蚀
在各种管道失效案例中，冲蚀减薄失效是常见失效形式。在输送油品时油品中夹杂的固体颗粒会对输送管道产生冲刷腐蚀[1]。而弯管在工业运输管道中起连接管道的作用，但由于弯管几何形状的复杂性，造成流体及携带的固体颗粒流经弯管时流体流动的方向及固体颗粒的方向发生明显的变化，固体颗粒对管壁的反复冲击会引起弯管位置冲刷腐蚀穿孔，致使管线提前失效发生油气泄漏[2]。
浙江大学庞剑锋[3]对加氢装置的REAC腐蚀进行了CFD模拟，他将剪切力作为冲蚀失效的重要参数，仅定性地说明冲蚀可能发生的部位，而没有直接计算出冲蚀的速率。复旦大学的王字飞[4]研究了耐磨耐蚀层状复合管，并采用LS．DYNA模拟得到其冲蚀分布规律。代真[5]对空冷器管柬内流体的流动进行了CFD模拟，模拟结果与实际管道的检测结果吻合较好Y．M．Femg[6]通过CFD模拟的方法建立了弯管壁厚减薄与湍流强度之间的数学模型。
本文主要针对输油管道90°弯管进行固液两相流冲蚀仿真模拟研究，研究弯管处流速、压力、腐蚀量的变化特点。并分析流速、颗粒质量流量、颗粒直径对弯管最大冲蚀量的影响。其研究结果有助于提高输油管道系统可靠性，可为输油管道系统的结构优化提供数据参考和理论依据。
1 90°弯管建模
1.1参数设置
90°弯管管径50mm，弯管曲率半径75mm,弯径比R/D=1.5，为保证管内流体流动得到充分发展，出入口直管段100mm。
在常温条件下，以原油作为连续相介质，原油密度为960kg/m3，进口速度为10m/s,固体颗粒密度为1500kg/m3，颗粒直径为50μm，假设颗粒的初始速度与原油相同，其质量流量为2kg/s。
连续相计算采用标准ｋ-ε湍流模型。由于连续相介质为原油，且原油属不可压缩流体，所以进口采velocity inlet边界条件，出口采用outflow边界条件，设置gravity中的y=-9.8m/s2。管壁设置为wall边界，在靠近管壁面处设置边界层。离散相采用DPM模型，进口和壁面设置为reflect条件，出口设置为esape条件。
1.2数值模拟结果及分析
由图1，2可见：在弯管段流体对管道的压力和流体流速均取得最值。因为当流体流入弯头时，弯管曲率会使流体沿截面方向产生较大的离心力，对弯管外侧管壁产生挤压应力，而对弯管内侧管壁形成牵引作用。根据伯努利方程，为保持总能量不变，动能必然沿着离心力方向逐渐减少，故流体流速相应减小。
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图1 流速云图
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图2 压力云图
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图3 腐蚀云图
由图3可见：弯管外侧管壁的冲刷腐蚀最为严重，此处管壁的腐蚀深度最深，冲刷腐蚀面积分布最广，而弯管内侧几乎没有发生冲刷腐蚀。因为由于弯管曲率和离心力的作用，砂粒随着流体流向弯管外侧，降低了与内侧管壁碰撞的概率，因此也减小了内侧管壁冲刷腐蚀的可能性。
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图4 最大冲蚀计算界面
由图4可见：最大冲蚀速率为4.00 e-7kg/m2/s，便于对比，将单位换算mm/y。Kg/m2/s除以管材密度后可以得到mm/y。该弯管为X65钢，密度约为7850kg/m3。换算后4.0 e-7kg/m2/s对应于的壁厚腐蚀为1.6mm/y。
2冲蚀敏感性分析
2.1流速对冲蚀率的影响
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图5 流速与冲蚀率关系曲线
由图5可见：当进口流速为5-10m/s时，随着进口流速的增大， 壁面冲蚀率只是小幅度地增长；当流体流速为10-20m/s时，随着进口流速的增大，壁面冲蚀率增长幅度较大，当流体流速为20-25m/s时，壁面冲蚀率急剧增长。
2.2颗粒直径对冲蚀率的影响
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图6 颗粒直径与冲蚀率关系曲线
由图6可见：壁面冲刷腐蚀速率随着砂粒直径的增大而增大。固体颗粒尺寸会影响砂粒撞击速率和动能。与小直径的砂粒比较，大直径砂粒数量较少，但其拥有更大的动能和冲击力，造成的腐蚀也更严重。
2.3颗粒质量流量对冲蚀率的影响
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图7 颗粒质量流量与冲蚀率的关系曲线
由图7可见：随着固体颗粒质量流量的增大，弯管的冲蚀率总体呈线性增长趋势，在进口流速一定时，颗粒与壁面材料撞击的频率及颗粒的能量基本不变，质量流量的上升只会使固体颗粒数量增加，故单位时间撞击壁面的颗粒数量也增多，因此弯管冲蚀率也随之增大。
3结论
本文对90°弯管固液两相冲刷腐蚀进行了研究和探讨得出以下结论。
（1）弯管外侧压力大而流体流速小，弯管内侧压力小流速大。弯管段流场复杂，流体流速波动最为剧烈。
（2）弯管外侧冲刷腐蚀最为严重，出入口直管段只受到轻微冲刷腐蚀，弯管内侧几乎无冲刷腐蚀。
（3）较大的入口流速、较大直径的固体颗粒、较大的颗粒质量流量会携带更大的动能和冲击力，从而在管壁上形成更加严重的冲刷腐蚀。
参考文献
[1]黄勇,蒋晓东,施哲雄.弯头的冲蚀问题及其预测和预防[J]．炼油技术与工程,2005,35(2):31-36.
[2]马颖,任峻,李元东,等.冲蚀磨损研究的进展[J]．兰州理工大学学报,2005,31(1):21-15．
[3]庞剑峰.石化管道插入物构件冲蚀破坏的CFD模拟及灰色失效预测研究[D].杭州:浙江大学化工机械研究所,2005.
[4]王宇飞.耐磨耐蚀层状复合管得制备及其冲蚀模拟分析[D].上海:复旦大学,2008.
[5]代真.空冷器冲刷腐蚀的流动仿真．炼油技术与工程，2008，8(8)：23-25.
[6]Y.M.Femg,YS.Tseng,B.S Pei,S.L.Wang.A two-phase medaodology to predict FAC weal sites in the piping system of a BWR,NuclearEngineering and Design,2008,238:2189-2196.