砂粒对多相流弯管冲蚀的影响因素分析

冲蚀是一个管壁材料受固相颗粒重复撞击而剥落,又伴随着腐蚀的复杂力学过程。冲蚀严重时可能引起管道失效或泄漏,从而产生经济损失和环境污染。为了研究多相流弯管冲蚀的基本规律和主要影响因素,本文基于自行设计的循环管路进行了水-砂两相流对弯管段碳钢贴片的冲蚀试验。基于弯道流动特征分析、扫描电镜观察和贴片的冲蚀速率估计,得到了弯管段壁面的主要损伤特征。弯管段壁面可分为四个区:外拱璧、内拱璧和左右两颊壁面。外拱璧处试验贴片的主要损伤特征为大量压痕、划痕和近圆形的蚀坑分布,其壁面减薄的主要机制为弯道流动中砂粒的多次高速冲击和切削作用;而内拱璧处的损伤特征主要是蚀坑周围包围着腐蚀产物,流动中的砂粒低速冲击和腐蚀氧化作用更为明显;两颊壁面处冲刷磨损与腐蚀增重作用相当。此外,分析了砂粒粒径、含砂量以及贴片材质对冲蚀速率的影响。大粒径及较高含砂量对冲蚀速率均起到增强作用;壁面的材料属性有差异,表面形貌的损伤特征亦有不同。     

液固两相流冲洗油管道的冲蚀磨损特性数值模拟及分析

以液固两相流冲洗油管道为研究对象,采用Realizableκ-ε湍流模型、随机轨道模型,结合液固两相流冲蚀磨损试验,建立修正的冲蚀磨损数理模型,数值预测典型工况下冲洗油管道内速度、压力、冲蚀磨损率等流动参数分布情况,分析了冲蚀磨损的形成机制.研究结果表明:受曲率半径影响,冲洗油管道冲蚀磨损速率随曲率半径的增加而减小;由于颗粒惯性及管内二次流影响,弯头中间区域外侧壁面和出口直管段内侧面磨损较为严重,三通管件的最大冲蚀磨损率位于孔口处,数值预测结果与失效解剖案例吻合.本文建立的冲蚀磨损定量预测方法,适用于压力管道的风险评定及寿命预测.     

锡黄铜在3.5%NaCl中的液固两相流冲蚀机理研究

利用旋转式冲蚀磨损试验机,对锡黄铜在3.5%NaCl溶液中进行液固两相流冲蚀磨损试验,利用扫描电镜详细分析了不同条件下锡黄铜表面的微观形貌、失效规律及微观破坏机理.结果表明:锡黄铜在失重的不同阶段对应不同的磨损机制,在不同外界条件下其破坏机制也不尽相同.锡黄铜在阴极保护即无腐蚀影响下,试样发生严重冲蚀前存在门槛速度,冲蚀形貌主要以犁削和铲削为主同时兼有切片.当冲蚀速率增加,冲蚀切削形貌减少,而冲蚀时间的增加将导致冲蚀率首先增加后减小并趋于平衡;在无阴极保护作用下,试样表面出现腐蚀凹坑,冲蚀率大幅度增加,随着冲蚀速率的增加失重率增加,但随冲蚀时间增加,冲蚀率减小.     

SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的研究

采用环氧树脂为粘接剂制备了SiC/环氧树脂复合材料,在自制的射流式冲蚀磨损试验机上研究了SiC/环氧树脂的冲蚀磨损性能.结果表明:大尺寸SiC颗粒制备的复合材料较小尺寸SiC颗粒制备的复合材料具有更好的冲蚀磨损性能,且大尺寸SiC颗粒复合材料的冲蚀磨损性能优于Q235钢,而小尺寸SiC颗粒复合材料则低于Q235钢.随着冲蚀角度的变化,其平行材料表面的切削分量和垂直材料表面的冲击分量将会发生变化,低角度冲蚀磨损机理以显微切削和碾压造成环氧树脂及SiC颗粒的层片状脱落为主转变为高角度冲蚀磨损以SiC颗粒碎裂造成环氧树脂疲劳脱落为主.     

钢结构表面涂层受风沙冲蚀机理和评价方法

内蒙古中西部地区钢结构表面涂层受风沙冲蚀磨损严重.在模拟钢结构涂层受风沙冲蚀磨损试验的基础上,应用扫描电子显微镜(SEM)观测涂层在不同冲蚀条件下的冲蚀磨损部位微观形貌,分析涂层材料受风沙冲蚀磨损的损伤机理,提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法.结果表明:低角度冲蚀时微切削作用占主导,硬度起决定作用,高角度冲蚀时挤压变形占主导,柔韧性起决定作用,由于涂层硬度较低,柔韧性好,所以高角度时涂层的耐冲蚀性能较好;最大冲蚀磨损失重量出现在45°左右,是由于该材料具有介于塑性和脆性材料之间的冲蚀磨损特性;速度越大,粒子的动能越大,冲蚀磨损失重量越大;在低浓度时,冲蚀磨损失重量随着浓度的增加而增加,而在高浓度时则出现下降的趋势;评价公式的计算结果与实验结果吻合.研究结果为钢结构涂层的耐久性研究提供了理论依据.     

非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性. 结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度. 弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主. 弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关. 运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小. 随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性. 颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞. 随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.      

水工混凝土小角度冲蚀磨损特性的研究

选用55kW的3GQ-2/70型高压清洗水射流装置作为水工混凝土的冲蚀磨损设备,考察了小角度条件下含沙高速水射流作用下混凝土材料的冲蚀磨损性能。结果表明：混凝土肥到严重的冲蚀磨损;在冲击角度较小时,混凝土材料的冲蚀磨损机制主要表现为硬质磨粒沿水平速度方向的切削作用,以及沿垂直方向的冲击作用导致的表面裂纹和脆性断裂;钢纤维对混凝土材料的小角度冲蚀破坏有明显的增强作用。     

一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的新方法

针对带固粒的近壁流场，提出了在壁面上开凿纵向浅沟槽以减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法．采用改进的κ-ε湍流模式和气-固两相双向耦合模型，计算了流场中颗粒的速度、轨迹以及固粒对壁面的冲蚀磨损，并进行了相应的试验对比．结果表明：在壁面上开凿纵向沟槽能减轻固粒对壁面的磨损；在一定的沟槽高度下，当沟槽宽度同沟槽问距离相等时，减轻磨损的效果最明显；在一定颗粒尺寸范围内，大颗粒导致磨损质量损失增大，当颗粒尺寸超过某一临界值后，颗粒尺寸对磨损的影响较小．进口处颗粒运动方向对壁面磨损具有直接影响．     

颗粒增强有机硅基复合涂层的冲蚀磨损行为

利用气流喷砂型试验机,对ＳｉＣ和Ａｌ２Ｏ３颗粒增强的有机硅基复合材料涂层（ＳＭＣＣ）的冲蚀磨损行为进行了研究。发现合适的基体组成、增强体颗粒种类及含量使ＳＭＣＣ冲蚀率较纯有机硅树脂涂层降低了１个数量级。冲蚀表面形貌ＳＥＭ分析表明：低速冲蚀时涂层冲蚀磨损机理以显微犁耕为主,并伴有显微切削;而高速冲蚀时的磨损机量主要是微裂纹的产生和扩展造成成涂层的大块剥落,并伴有微切削和微犁耕。     

等径角挤压后Ti5553钛合金的冲蚀磨损机理演变

本文中系统研究了经等径角挤压(ECAE)处理后的Ti5553钛合金在海砂环境中的冲蚀磨损机理演变历程和失效原因.发现Ti5553钛合金在高角度冲蚀工况下,其冲蚀磨损机理从初期的微切削转变为冲击挤压变形,并保持稳定;合金显微组织中弥散的α相以及ECAE工艺影响了冲蚀机理演变过程及冲蚀磨损程度;提高合金的强度、韧塑性对于抵抗冲蚀磨损起到了促进作用.     

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质，且工作在高温、高压差环境中，极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效，影响其服役寿命. 采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理，以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律，并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果. 研究结果显示，煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域；管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关；管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧，而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系，这与颗粒受力作用有关；弯管优化分析显示，涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率，减缓弯管的冲蚀磨损.      

Experimental and CFD investigation of flow behavior and sand erosion pattern in a horizontal pipe bend under annular flow

The internal erosion of pipelines in oil and gas storage and transportation engineering is highly risky. High gas velocity of annular flow entrained sand will cause damage to the pipelines, and may further result in thinning of the wall. If this damage lasts for a long time, it may cause pipeline leakage and cause huge economic losses and environmental problems. In this research, an experimental device for studying multiphase flow erosion is designed, including an erosion loop and an experimental elbow that can test the erosion rate. The annular flow state and pipe wall erosion morphology can also be tested by the device. The computational fluid dynamics (CFD) method is combined with the experiment to further study the annular flow erosion mechanism in the pipeline. The relationship between gas-liquid-solid distribution and erosion profile was studied. The results show that the most eroded region occurs between 22.5° and 45° in the axial angle direction and between 90° and 135° in the circumferential angle direction of the elbow. The pits and deep scratches form on the surface of the sample after the sand collision.     

90°弯管内气固两相湍流流动的数值研究

利用两相湍流KET模型对90°弯管内气固两相湍流流动进行了数值模拟,得到了弯管内两相流动的一些规律,并提出用颗粒动理学压力来定性表征弯管内磨损严重部位,为管道抗磨损设计提供了一定的理论依据。     

Combination of CFD and DOE to analyse solid particle erosion in elbows

Solid particle erosion is a major concern in the engineering industry, particularly where transport of slurry flow is involved. Such flow regimes are characteristic of those in alumina refinement plants. The entrainment of particulate matter, for example sand, in the Bayer liquor can cause severe erosion in pipe fittings, especially in those which redirect the flow. The considerable costs involved in the maintenance and replacement of these eroded components led to an interest in research into erosion prediction by numerical methods at Rusal Aughinish alumina refinery, Limerick, Ireland, and the University of Limerick. The first stage of this study focused on the use of computational fluid dynamics (CFD) to simulate solid particle erosion in elbows. Subsequently an analysis of the factors that affect erosion of elbows was performed using design of experiments (DOE) techniques. Combining CFD with DOE harnesses the computational power of CFD in the most efficient manner for prediction of elbow erosion. An analysis of the factors that affect the erosion of elbows was undertaken with the intention of producing an erosion prediction model.     

Numerical study of elbow erosion due to sand particles under annular flow considering liquid entrainment

Sand particle erosion is always a challenge in natural gas production. In particular, the erosion in gas–liquid–solid annular flow is more complicated. In this study, a three-phase flow numerical model that couples the volume of fluid multiphase flow model and the discrete phase model was developed for prediction of erosion in annular flow. The ability of the numerical model to simulate the gas–liquid annular flow is validated through comparison with the experimental data. On the basis of the above numerical model, the phase distribution in the pipe was analyzed. The liquid entrainment behavior was reasonably simulated through the numerical model, which guaranteed the accuracy of predicting the particle erosion. Additionally, four erosion prediction models were used for the erosion calculation, among them, the Zhang et al. erosion model predicted the realistic results. Through the analysis of the particle trajectory and the particle impact behavior on the elbow, the cushion effect of the liquid film on the particles and the erosion morphology generation at the elbow were revealed.     

不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为研究

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究. 结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30°~45°之间;抗风沙冲蚀磨损性能依次为热处理过共析钢轨>热处理U78CrV>热轧U71Mn>热处理U75V>热轧U75V;延性对热轧钢轨材料的抗冲蚀磨损性能的影响大于硬度,而硬度对热处理钢轨材料的影响大于延性,在线热处理可以提高U75V钢轨的抗冲蚀磨损性能;钢轨材料冲蚀损伤的主要特征为片屑、蚀坑、塑性流动及裂纹;钢轨材料在风沙冲蚀下展现出延性冲蚀模式,其材料去除机制主要为成片机制.      

输气管路弯头内壁面冲蚀进化的试验和数值模拟研究

砂粒的连续冲击使输气管路弯头内壁面连续不均匀地发生着冲蚀进化现象.本文作者基于3D成像技术精确描述了R/D=1.5弯头内壁冲蚀进化过程,并采用CFD方法对该过程进行了数值模拟研究.结果显示,随着颗粒冲击,磨损严重的区域向弯头圆心角高角度扩散的速度较大;通过修正Schiller Naumann拽力系数模型可较准确地模拟弯头的冲蚀进化过程(平均误差小于0.15 mm).以上工作对管路的完整性评价具有重要意义.     

环形管内壁磨粒侵蚀物理过程的研究

对高分子材料的磨粒侵蚀进行了系统的试验研究，为了进一步阐明其物理本质并预测其磨损，通过分析颗粒在环形流场中的轨迹，发现环形和管壁的磨粒侵蚀可以分为两个阶段；即冲击侵蚀阶段和湿磨粒磨损阶段，并以后者为主，对于聚氨酯材料，其磨粒侵蚀第二阶段的磨损机理主要是由于滑动摩擦引起的表面疲劳磨损。     

Steady natural convection flow of a particulate suspension through a circular pipe

A continuum model for two-phase (fluid/particle) flow induced by natural convection is developed and applied to the problem of steady natural convention flow of a particulate suspension through an infinitely long pipe. The wall of the pipe is maintained at a constant temperature. The particle phase is endowed by an artificial viscosity which may be used to model particle-particle interaction in dension suspensions. Boundary conditions borrowed from rarefied gas dynamics are employed for the particle-phase wall conditions. Closed-form solutions for the velocity and temperature profiles are obtained. For the assumptions employed in the problem, the temperatures of both phases in the pipe are predicted to be uniform. A parametric study of some physical parameters involved in the problem is performed to illustrate the influence of these parameters on the velocity profiles of both the fluid and particle phases.