含错边焊缝缺陷弯管气固两相流冲蚀磨损研究.pdf
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1、第 51 卷 第 1 期2024 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.51,No.12024引用格式:谭冬梅,甘沁霖,陶雨,等.含错边焊缝缺陷弯管气固两相流冲蚀磨损研究J.北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(1):110-120.TAN DongMei,GAN QinLin,TAO Yu,et al.Erosion wear of gas-solid two鄄phase flow in a curved pipe with a misalig
2、nedwelding defectJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2024,51(1):110-120.含错边焊缝缺陷弯管气固两相流冲蚀磨损研究谭冬梅1摇 甘沁霖1,2摇 陶摇 雨1摇 段嘉仪3(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉摇 430070;2.武汉市汉阳市政建设集团有限公司,武汉摇 430050;3.湖北经济学院 国际教育学院,武汉摇 430205)摘摇 要:在天然气输送系统中,当考虑弯管焊接缺陷时,结构特征差异导致的流场变化会使弯管产生不同的冲蚀特性。采用 Comp
3、utational Fluid Dynamics-Discrete Phase Model(CFD-DPM)方法研究不同颗粒参数、弯管导向、缺陷高度及颗粒入射角度下无错边焊缝弯管、外错边焊缝弯管、内错边焊缝弯管的介质流态特征与冲蚀规律。研究结果表明:(1)气体在弯管部位出现二次流动现象,速度分布出现扭曲,其中外错边焊缝弯管速度分布曲线扭曲幅度大,二次流作用效应最明显;(2)流体速度对冲蚀速率的影响最大,两者呈幂指数函数关系,质量流量次之,与冲蚀速率呈线性函数关系,颗粒粒径的影响最小,与冲蚀速率近似呈线性函数关系;(3)外错边焊缝弯管会在弯头处形成第二冲蚀磨损严重区域,而内错边焊缝与无错边焊缝弯
4、管冲蚀效果相似,均只有 1 个冲蚀严重区域;(4)当流体在竖直管流向一致时,“H-V冶导向弯管最大冲蚀速率均大于“V-H冶导向弯管,在不同弯管导向下外错边焊缝弯管冲蚀速率最大;(5)弯管最外侧最大磨损位置随着错边高度发生变化,在一定高度下会使弯头内壁形成第二冲蚀磨损严重区域,且错边高度越大,弯头最外侧所受冲蚀速率越大;(6)颗粒的入射角度会影响弯管的冲蚀效应,其影响程度需结合入口直管长度与颗粒运动状态分析。关键词:焊缝错边缺陷;气固两相流;冲蚀磨损;固体颗粒;弯管导向;入射角度中图分类号:O359摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2024.01.013收稿日期:2022-10
5、-19基金项目:国家自然科学基金(42271453)第一作者:女,1976 年生,副教授E鄄mail:引摇 言天然气在长输管道运输过程中,由于气源差异及管道腐蚀等原因,其产生的固体砂粒会对管壁造成冲蚀磨损。长时间的冲蚀磨损会产生累积效应,导致管壁减薄进而引发管道失效,造成安全隐患与经济损失1-2。因此,研究天然气携砂在各种因素影响下的流动特性与冲蚀规律尤为重要,并可为降低管道磨损、维持管道的正常运输提供参考依据3-4。目前,国内外学者对气固两相流的冲蚀磨损进行了大量研究。Peng 等5发现固体颗粒在弯管处与壁面反弹会发生二次碰撞,并在碰撞处形成 V 形冲蚀形貌。Xie 等6发现在串联弯管内,管
6、道中部颗粒会较早于近壁区域颗粒与弯管发生碰撞,随后二者一同运动在下游形成椭圆形冲蚀形貌。王思邈等7对比了4 种冲蚀模型下气固两相流的弯管冲蚀差异,并与实验结果对比分析了各侵蚀模型的精度与适用性。彭文山等8提出了颗粒直接碰撞与滑动碰撞两种模型,并推导出弯头最大冲蚀位置预测方程,发现150 滋m 为弯管冲蚀的临界颗粒粒径。莫丽等9在圆管基础上,研究了不同长宽比下平椭圆管道的冲蚀磨损特性。王静等10分析了页岩气集输管在气液固三相流条件下的冲蚀磨损特性,结果表明在气液固三相条件下介质流速对弯头冲蚀磨损的影响最大,弯头的最大冲蚀速率与介质流速呈幂函数关系。Solnordal 等11通过坐标测量仪得到弯头
7、受冲蚀磨损后的三维形态,并沿着流体流动方向划分出 38 条曲线,通过对比各曲线上冲蚀速率之间的差异,得出光滑壁面弯管的冲蚀形貌是随着颗粒轨迹变化而发生变化的。Kosinska 等12利用有限元方法研究了粒径较小的固体颗粒对管道弯头造成的冲蚀影响,结果表明对于小粒径固体颗粒,冲蚀速率随着粒径的增大而逐渐减小,而对于微米级颗粒,冲蚀速率随着粒径的增大而逐渐增大。以上文献大多集中在对完整管道流场特性与冲蚀规律的研究,但天然气管道运输中弯头并不是单独存在,而是往往与直管以焊接的构件形式连接。为充分研究弯管内的冲蚀过程,本文考虑了焊缝错边缺陷产生的流场变化对压力管道弯管处的流体动力以及冲蚀磨损的影响,建
8、立了无错边焊缝、外错边焊缝、内错边焊缝弯管模型,并基于欧拉-拉格朗日方法,利用磨损方程完成冲蚀位置预测,分析不同颗粒参数、弯管导向、缺陷高度及颗粒入射角与弯管冲蚀的关系,为管道冲蚀预测与防护提供参考。1摇 重整化群理论 k-着 模型1郾 1摇 连续相控制方程假设气体不可压缩,并忽略温度的影响,采用稳态计算对流场进行仿真,其对应的雷诺时均控制方程为鄣ui鄣xi=0(1)uj鄣ui鄣xj=-1籽鄣p鄣xi+1籽鄣鄣xj(滋+滋t()鄣ui鄣xj+鄣uj鄣xi-23鄣uk鄣xk啄)ij-fi(2)式中,xi、xj为流场中的空间坐标,ui、uj为流体速度,籽 为流体密度,p 为流场中的压力,滋 为动力
9、黏度,滋t为湍流黏度,由湍流模型决定,啄ij为克罗科内尔符号,fi为 i 方向受到的外力。重整化群理论(re鄄normalization group,RNG)k-着 湍流模型能很好地反映流线弯曲、旋涡流等现象13,是通过重整化群理论推导得到,因此本文采用该模型,其具体表达式为鄣(籽kui)鄣xi=鄣鄣x(j琢k滋eff鄣k鄣x)j+Gk+Gb-籽着(3)鄣鄣xi(籽着ui)=鄣鄣x(j琢着滋eff鄣着鄣x)j+C1着着k(Gk+C3着Gb)-C2着籽着2k-R着(4)式中,滋eff为有效黏度,滋eff=滋+滋t,Gk、Gb为湍流动能,琢k=琢着=1郾 39,着 为湍流扩散项,k 为湍动能,C1
10、着=1郾 42,C2着=1郾 68,C3着是可压缩流体计算中与浮力相关的系数,对于流动速度与重力方向相同的流动 C3着=1,流动方向与重力方向垂直的流动 C3着=0,湍流黏度 滋t=C滋籽k2/着 的系数 C滋=0郾 084 5,附加项R着为R着=C滋籽浊3(1-浊/浊0)1+茁浊3着2k(5)式中,浊=Sk/着,S 为应变率张量范数,浊0=4郾 38,茁=0郾 012。1郾 2摇 离散相控制方程离散相在管内的运动轨迹一般通过力平衡方程求解,其在运动中通常受到浮力、曳力、压力梯度力和虚拟质量力,一般表示为mpdupdt=CdRep24子t(u-up)+g(籽p-籽)籽p+籽籽p驻P+Cvm籽籽
11、pup(u-up)-dudt(6)子t=籽pd2p18滋(7)Re=籽dp(u-up)滋(8)Cd=1Re2p(a1Re2p+a2Rep+a3)(9)式中,mp为固体粒子质量,dup/dt 为单个粒子加速度,u 为流体速度,up为颗粒速度,籽 为流体密度,籽p为颗粒密度,g 为重力加速度,dp为颗粒直径,驻P为气压梯度,Cvm为虚拟质量因子,子t为粒子松弛时间,Re 为相对雷诺数,Cd为阻力系数,a1、a2、a3为颗粒光滑常数。1郾 3摇 颗粒壁面碰撞模型本文选用 Forder 非随机性颗粒-壁面碰撞反弹模型14来反映颗粒动量变化,如式(10)、(11)所示。eN=0郾 988-0郾 78琢+
12、0郾 19琢2-0郾 024琢3+0郾 027琢4(10)eT=1-0郾 78琢+0郾 84琢2-0郾 21琢3+0郾 028琢4-0郾 022琢5(11)式中,eN为法向恢复系数,eT为切向恢复系数,琢 为颗粒冲击角度。1郾 4摇 冲蚀磨损模型在进行冲蚀磨损计算时,需要选择合适的冲蚀111第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谭冬梅等:含错边焊缝缺陷弯管气固两相流冲蚀磨损研究预测模型。本文采用 Generic 模型,该模型能充分考虑碰撞角度、粒径、速度等对冲蚀速率的影响并有效监测壁面冲蚀速率,其理论方程为10Eerosion=移Nparticlesp=1mpC(dp)
13、f(琢)vb(v)Aface(12)式中,C(dp)表示颗粒直径函数,取 1郾 8 伊 10-9;v 表示颗粒冲击壁面的相对速度;b(v)表示冲击速度的相对指数函数,取 2郾 6;Aface表示单个计算单元的有效计算面积;f(琢)为碰撞角函数方程,其由冲击角度 琢 通过线性分段函数描述,根据 Huser 等15提出的冲击角函数,冲击角度取 0毅、20毅、30毅、45毅、90毅时对应的冲击角函数分别为 0、0郾 8、1、0郾 5、0郾 4。2摇 数值计算2郾 1摇 弯管模型无错边焊缝、外错边焊缝、内错边焊缝的 90毅弯管几何模型如图 1 所示。为研究不同轴向角度下弯头与错边焊缝的冲蚀特性,将弯管
14、划分为 7 个截面,从下至上依次为弯管出口处焊缝截面 兹1=0毅、兹2=0毅,兹3=30毅截面,兹4=45毅截面,兹5=60毅截面,弯管进口处焊缝截面 兹6=90毅、兹7=90毅。管道内壁直径 D为 248 mm,弯头曲率半径为 1郾 5D,入口与出口处增加长 6D 的直管以保证来流充分发展,焊缝宽度为10 mm,焊缝错边高度为 3 mm。图 1摇 弯管三维模型Fig.1摇 Three dimensional model of the bent pipe摇2郾 2摇 边界条件及求解方法假设固体颗粒无旋转且密度均匀分布,连续相采用 RNG k-着 湍流模型,离散相采用离散相模型(DPM),选择速
15、度入口与压力出口,其湍流强度和水力半径分别为 5%和 248 mm,模型关键参数取值见表 1。表 1摇 模型关键参数Table 1摇 Key parameters of the model摇 摇 参数数值颗粒粒径/滋m40 400颗粒密度/(kg m-3)2 650颗粒硬度/HB35管材密度/(kg m-3)7 850管材硬度/HB138气体密度/(kg m-3)0郾 667 9速度/(m s-1)10 40质量流量/(kg s-1)0郾 002 0郾 014摇 摇 求解器选择半隐式 SIMPLE 算法,压力、动量、流体扩散率、湍流能均采用二阶迎风格式16,并保持每种工况喷入管内的固体颗粒数均
16、大于 20 000个以排除颗粒数目对冲蚀的影响17。收敛残差值为10-5,待收敛稳定后,观察连续相流场情况。2郾 3摇 网格划分及误差分析通过 Integrated Computer Engineering and Manu鄄facturing(ICEM)对整个流域采用六面体网格划分,并设置边界层,近壁面选用标准壁面函数,保证 y+分布在 30 300。对弯头与焊缝处的网格进行合理划分,当网格密度较稀疏时,计算精度较低,所得的冲蚀速率与实际偏差较大,得不到较符合需求的结果;当网格密度较大时,随着计算精度的提高,所得的冲蚀速率较为接近实际情况,但数值模拟的效率变低。所以,合理的网格密度要既能满足
17、计算精度也能提高数值模拟效率。图 2 为外错边焊缝弯管六面体网格划分截面和弯头网格结构示意图。以无错边焊缝弯管为例,追踪喷入管内固体颗粒数目为 20 010 个,对不同网格数量下冲蚀速率进行相关性分析,结果见图 3。由图 3 可知,弯管冲蚀211北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年图 2摇 弯管网格划分Fig.2摇 Meshing of the elbow摇图 3摇 网格相关性分析Fig.3摇 Grid correlation analysis摇速率在网格数量增大至 1 310 655 时变化幅度变小并趋于稳定,因此在保证计算结果准
18、确的前提下,选用网格数量为 1 310 655。2郾 4摇 计算模型验证本文采用文献18的实验数据为对比依据,验证数值模型的准确性。实验采用直径为 41 mm、弯径比为 3郾 25 的 90毅弯头作为研究对象,对比弯头外拱中心线上的冲蚀速率,结果如图 4 所示。图 4摇 弯管冲蚀预测结果与实验结果对比Fig.4摇 Comparison between the predicted results andthe experimental results摇由图 4 可见,模拟结果与实验结果吻合良好,表明此数值模型与计算方法是正确可行的。3摇 分析与讨论3郾 1摇 管内流场特性分析图 5 为 流 体
19、速 度 15 m/s、颗 粒 质 量 流 量0郾 002 kg/s、颗粒粒径 100 滋m、重力方向为 y 轴负向工况下 yz 截面与弯管不同角度截面中心相交线的速度分布曲线。图 5摇 不同截面处速度分布曲线Fig.5摇 Velocity distribution curves of differentsections at the elbow摇从图 5 可看出,不同截面速度均呈现由外侧向内侧先增加后减小的趋势。这是因为弯管曲率会产生横向压力梯度,且由于气体的弱压缩性,弯管外侧气体被压缩,部分动能转换为压力能,气体速度减小。同理弯管内侧气体部分压力能转换为动能,速311第 1 期摇 摇 摇 摇
20、 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谭冬梅等:含错边焊缝缺陷弯管气固两相流冲蚀磨损研究度明显升高。在 兹3 兹5(30毅 60毅)截面区间,最大速度出现在 兹5=60毅内侧截面上,并随着角度的减小最大速度值逐渐减小;弯管出口焊缝两截面 兹1=0毅、兹2=0毅在二次流作用下,内侧速度曲线出现一定扭曲,但该处外侧区域流速迅速回升。综合图5(a)、(b)、(c)可看出,各截面速度分布曲线趋势差异不大。外错边焊缝弯管 兹1=0毅截面由于错边缺陷的存在,在靠近弯管内侧 200 225 mm 处速度分布曲线扭曲幅度更大,二次流效应较无错边焊缝与内错边焊缝弯管更明显。3郾 2摇 固体颗粒参数本文分析了流体
21、速度、颗粒质量流量、颗粒粒径对 3 种弯管冲蚀磨损的影响,其中保持重力方向均为 y 轴负向。图 6 展示了当颗粒粒径为 100 滋m、质量流量为0郾 002 kg/s 时不同流体速度下3 种弯管的最大冲蚀速率分布曲线。图 6摇 流体速度对冲蚀磨损的影响曲线Fig.6摇 Influence of fluid velocity on erosion rate摇由图 6 可知,3 种弯管的最大冲蚀速率均随流体速度呈幂指函数增长。这是因为随着流体速度的增加,颗粒动能随之增大,对壁面的冲击能力增强,并且湍动能随流速升高增加了颗粒对壁面的碰撞次数,从而加剧冲蚀。外错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管,二者间最
22、大冲蚀速率的差值随流体速度的增加有一定的增大,在 25 m/s 时差值率达到最大为 32%;内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管,最大冲蚀速率相接近,差值率最大为 7%。图 7 为流体速度 15 m/s、颗粒粒径 100 滋m 时不同质量流量下 3 种弯管的最大冲蚀速率分布曲线。由图 7 可知,3 种弯管的最大冲蚀速率均随质量流量呈线性增大趋势。因为当质量流量增大时,单位时间内通过流体携带的固体颗粒数增多,同时图 7摇 质量流量对冲蚀磨损的影响曲线Fig.7摇 Influence of mass flow rate on erosion rate摇与管壁碰撞的颗粒数量也增加,加重了冲蚀。在本文所
23、研究质量流量范围内,外错边焊缝弯管最大冲蚀速率均大于无错边焊缝弯管,在质量流量为0郾 010 kg/s 时差值率达到最大,为22%;内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管最大冲蚀速率相差不大,差值率最大为 8%。图 8 为流体速度 15 m/s、质量流量 0郾 002 kg/s时不同颗粒粒径下 3 种弯管的最大冲蚀速率分布曲线。图 8摇 颗粒粒径对冲蚀磨损的影响曲线Fig.8摇 Influence of particle size on erosion rate摇从图 8 可看出,内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管,最大冲蚀速率值相似,并均随着粒径增大而升高。这是因为粒径增加,单个颗粒所具有的动能
24、会增大,从而对管壁造成更大的冲蚀。对于外错边焊缝弯管,在粒径小于100 滋m 时最大冲蚀速率均大于内错边焊缝弯管与无错边焊缝弯管,这是因为粒径较小时,更多的颗粒会直接碰撞至出口焊缝错边处,造成更严重的冲蚀效果。粒径大于 100 滋m时,颗粒自身质量增大,更多的颗粒受重力作用碰撞至入口焊缝错边处,从而使得运动轨迹发生改变。颗粒在碰撞壁面后损失了动能,尤其是大尺寸颗粒,411北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年由于气体对其携带性较差,难以被气体携带加速,所以最大冲蚀速率相较于内错边焊缝弯管与无错边焊缝弯管有一定降低。结合图 6 8 可知
25、,外错边焊缝弯管所受的冲蚀影响最大,因此在实际工程中要避免产生外错边焊接缺陷,并且通过控制介质流速能更好地防止弯头冲蚀损伤。选取流体速度15 m/s、颗粒质量流量0郾002 kg/s、颗粒粒径 100 滋m 条件下 3 种弯头最外侧磨损分布的冲蚀云图与规律曲线如图 9、10 所示。图 9摇 不同结构弯管的冲蚀云图Fig.9摇 Erosion cloud diagrams of elbows with different structures摇图 10摇 弯头最外侧磨损分布曲线Fig.10摇 Erosion rate distribution of the elbow outline摇摇 摇从图
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