基于CFD数值模拟的异面三通管冲蚀磨损规律研究*

针对管道在输送过程中,由流体中固态颗粒产生的冲蚀磨损导致的失效问题,通过CFD-DPM模型开展关于不同流速、颗粒直径、含砂体积比和异面管夹角对异面三通冲蚀磨损性能影响的分析。结果表明：三管交汇处的弯面是管道主要发生冲蚀磨损的位置,水平两管弯头上侧管壁处是受损最为严重的部位;在流速2~10 m/s、含砂体积比1%~9%、异面管夹角90°~150°、颗粒直径0.1~0.5 mm时,管道的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下,含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,高流速下,最大冲蚀率与含砂体积比呈线性正相关;异面管夹角的增大降低了管道对固体颗粒的流动约束性,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随颗粒直径的增大整体呈现平缓上升的趋势,大颗粒产生的冲蚀破坏相比小颗粒更为集中一些。     

异面三通管冲蚀磨损的数值模拟研究

在管道输送过程中,油品中夹带的微小固体颗粒会对管道壁面产生冲蚀磨损。采用DPM冲蚀预测模型,模拟在不同流速、不同颗粒直径、不同质量流量下管道的冲蚀分布规律,预测异面三通管中受冲蚀磨损比较严重的区域。结果表明:固体颗粒对异面三通管的冲蚀主要集中在三管交汇处的弯面、水平管段的上侧管壁以及两水平管的交汇处,对管道弯头底部的冲蚀较小;管道的最大冲蚀率随流体入口速度的增大呈指数增长;管道的最大冲蚀率随颗粒直径的增大开始时缓慢增大,当颗粒直径增大到一定值时管道的最大冲蚀率随之呈线性增长趋势;管道的最大冲蚀率随着颗粒的质量流量的增大且呈线性增长。     

泥浆射流泵冲蚀磨损特性

为了研究泥浆射流泵的冲蚀磨损特性,基于欧拉-拉格朗日方法对泥浆射流泵内部的固液两相流动开展了数值模拟,重点对泥浆射流泵内部液固两相流的冲蚀磨损规律进行了研究。结果表明：泥浆射流泵喉管进口和喉管中后段是产生冲蚀磨损的主要部位,吸入室和扩散管未产生明显冲蚀磨损。颗粒质量流量从1 kg/s增大到1.8 kg/s时,泥浆射流泵最大冲蚀速率增大了93.7%;泥浆流速从2 m/s增大到5 m/s时,最大冲蚀速率增大了11.48倍;颗粒直径从200μm增大到450μm时,最大冲蚀速率先减小后增大。相较于颗粒质量流量和颗粒直径,泥浆流速对射流泵内表面的冲蚀磨损影响更大,但产生冲蚀磨损的主要部位不会随泥浆流速、颗粒质量流量和颗粒直径发生明显改变。研究成果可为射流泵的设计提供参考。     

固体颗粒对水力旋流器冲蚀磨损特性的影响

针对工业污水处理系统中水力旋流器壁面的冲蚀磨损问题,采用FLUENT软件中RSM模型和DPM模型模拟水力旋流器内液、固两相流的流动情况,并以Grant和Tabakoff碰撞模型求解器壁冲蚀磨损速率。研究了不同颗粒流速、粒径和质量流量条件下器壁冲蚀磨损规律以及最大冲蚀磨损位置。结果表明:旋流器壁面最大冲蚀磨损率随着颗粒流速的增大而呈指数递增,与质量流量呈正相关关系,但与颗粒粒径呈不完全线性增长关系;旋流器壁面冲蚀磨损率随着颗粒流速、粒径和质量流量的改变而不同,其中颗粒流速变化的影响最大、质量流量次之、粒径的影响最小;固体颗粒碰撞和磨削旋流器壁面而引起局部磨损,并且影响最大冲蚀磨损区域的出现位置。     

天然气集输管道90°弯头冲蚀磨损规律研究

针对输气管道中90°弯头冲蚀磨损失效的问题,依据现场实际工况,利用CFD仿真软件建立相应的模型,探究集输管道输送气固两相流介质时固体颗粒冲击弯头壁面的冲蚀磨损规律。采用RNG k-ε湍流模型、DPM模型和E/CRC冲蚀磨损模型研究集输压力、不同重力方向、集输流速、集输管径以及颗粒大小对弯头冲蚀磨损的影响。结果表明:集输压力越大,弯头冲蚀磨损程度减轻,且磨损区域呈现由中部向出口、由外侧向内侧凹曲面移动的现象;重力会影响弯头冲蚀磨损程度以及磨损区域,重力场和气相主流场趋势相同时会加剧磨损;当气流速度超过临界集输流速时,冲蚀磨损情况加剧且最大磨损率出现区域后移;集输管径越小、颗粒直径越大时,冲蚀磨损越严重。     

基于FLUENT的异径弯管冲蚀磨损研究

在许多工程领域,由于固体颗粒撞击引起的侵蚀问题一直存在,会引起异径弯管等部件出现侵蚀磨损现象。本文考虑了异径弯管中含砂介质流体对管壁冲蚀的作用,建立了异径弯管离散相DPM的模型,研究进出口管径比、中心引导线半径、流速、介质颗粒直径与介质浓度对冲蚀速率的影响。结果表明：异径弯头在含砂介质下的侵蚀区域主要位于异径弯头与小口径管的过渡部位,随着管径比的增加,异径弯头的侵蚀面积逐渐从异径弯管90°向0°扩大;在同等条件下,随着管径比的增大,异径弯管的冲蚀速率最终趋于平缓。冲蚀速率随入口速度及颗粒直径增大而增长,颗粒的质量流量、颗粒直径与冲蚀速率呈线性增长的关系;引导线直径在70～230 mm区间内,引导线直径与冲蚀率曲线呈M型。     

钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性

针对石油钻井过程中,由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题,采用CFD-DPM模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究,探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明：旋流器内壁磨损呈螺旋状,锥段处磨损率随着半径的减小而增大,底流口处是受损最为严重的部位;在流速5～15 m/s、含砂体积比1%～9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度,使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势,随着流动性指数的增大而急速下降,流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。     

考虑载荷模拟作用的高压弯头冲蚀数值仿真

在水力压裂过程中,地面高压管汇在管内复杂固液两相流冲击和管体恶劣载荷的耦合作用下,弯头、三通及接头等薄弱部件长期遭受严重的冲蚀磨损,极易导致管件发生断裂破坏,对现场人员及设备构成严重威胁。开展载荷作用下的高压管汇典型材料冲蚀磨损试验,根据试验结果,基于E/CRC冲蚀模型构建一种考虑应力状态影响的新型冲蚀数学模型,所构建的新模型与冲蚀试验数据之间的准确度可达95%以上。采用计算流体力学离散相模型（CFD-DPM）,开展高压管汇件冲蚀性能的三维数值模拟,考察高压弯头在不同压裂工况下的冲蚀磨损程度及空间分布情况。结果表明：在固液两相流冲击下,主要冲蚀区位于靠近弯头出口处的弯头外侧,且管件的最大冲蚀率也位于该处;在弯头内侧二次流涡流的影响下,部分颗粒在流经弯头后会在下游直管内侧积聚,从而在这个区域造成次要冲蚀区;随着流动颗粒斯托克斯系数增加,主要冲蚀区面积增大,次要冲蚀区面积减小;此外,在嵌入新型冲蚀数学模型后,可观察到随着操作压力增大,高压管汇弯头部位的冲蚀磨损率明显增加。     

水平弯管盐泥流动磨损仿真分析

盐泥为工业制盐流程中卤水净化工艺后产物，盐泥随意排放不仅污染环境，也会对资源造成极大浪费，需对盐泥进行无害化资源化处理。盐泥为固液两相流流体，对盐泥的无害化资源化处理需要管路的输送，为了探究盐泥在弯管中流动时对管道的冲蚀磨损速率，利用Fluent仿真软件对其进行分析。选用RNG k-?湍流模型和DPM模型，盐泥对弯管的冲蚀模型和颗粒碰撞恢复模型采用E/CRC冲蚀磨损模型和Grant and Tabaoff壁面碰撞恢复函数，考虑液固两相之间的耦合，对盐泥在水平弯管中的流动进行研究。研究结果表明：盐泥对水平弯管弯头压力分布场呈现为外侧压力大、内侧压力小，而速度分布场则与压力场恰好相反。盐泥颗粒与弯管内壁发生首次碰撞的部位在弯头外侧的出口段，一些颗粒还会发生多次碰撞。弯管内壁存在冲蚀磨损弯，弯头外侧磨损速率显著大于弯头内侧，而且磨损最严重的部位发生在弯头出口20°附近。     

页岩气压裂双弯头弯管冲蚀规律研究

为研究页岩气压裂双弯头弯管的冲蚀规律,基于液-固两相流模型和冲蚀理论建立双弯头弯管冲蚀模型,研究典型工况参数、双弯头弯管结构参数对双弯头弯管冲蚀速率的影响。研究表明:最大冲蚀速率发生在压裂液首先流经的第一个弯头外拱内壁后半部分,第二个弯头冲蚀区域前移且冲蚀区域增大;双弯头弯管的最大冲蚀速率,随压裂液流体速度、支撑剂颗粒体积分数的增加均增大,随着支撑剂颗粒粒径、双弯头弯管曲率半径的增大均减小;双弯头弯管上弯头与下弯头装配转角为20°~40°时,双弯头弯管的最大冲蚀速率较大。     

30CrMo合金钢的冲蚀磨损性能研究

采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机,研究在水力压裂工况下,高速携砂液对高压管汇材料30CrMo的冲蚀磨损作用,分析冲蚀磨损机制以及冲蚀角度和冲蚀速度对30CrMo合金钢冲蚀性能的影响。结果表明,30CrMo合金钢在高速粒子冲击下,其耐冲蚀磨损性能表现一般,属于典型的金属塑性材料;冲蚀角度为30°时,30CrMo的冲蚀磨损量最大;30CrMo的磨损机制与冲蚀角度有直接的关系,冲蚀角度小于30°时,冲蚀磨损机制以切削模型为主,大于30°时以局部塑性变形模型为主;冲蚀磨损量随冲击速度增加而显著增加,在高速冲击时,30CrMo钢的冲蚀磨损较为严重。     

三通换向阀阀内泥浆冲蚀磨损数值模拟研究

针对泥水盾构机接管系统中三通换向阀阀芯及管道易受泥浆冲蚀磨损问题,应用计算流体动力学中DPM(Discrete Phase Model)模型对阀芯缩径弯管与等径弯管进行对比分析。研究结果表明:泥浆流经等径弯管时对管壁造成的冲蚀磨损程度比流经缩径弯管时的冲蚀磨损程度严重;缩径弯管中凸台可以起到有效的扰流作用,消耗泥浆流体具有的动能,有利于减缓泥浆对弯管外壁面的冲蚀磨损;泥浆流经不同变直径管道时,对管壁造成的冲蚀磨损程度不同;其中泥浆从缩径弯管流向等径弯管处的冲蚀磨损率小于从等径弯管流向缩径弯管处的冲蚀磨损率。     

煤液化多相流输送弯管冲蚀磨损数值研究

针对煤液化中液-固两相流输送过程造成管道系统的冲蚀磨损失效问题,以90°圆形截面弯管结构为研究对象,采用标准k-ε湍流模型、颗粒轨道模型和冲蚀磨损模型,对弯管内的流动特性和壁面磨损率进行数值计算。研究表明,靠近弯管背部的流场速度高于腹部,粒子向背部聚集,导致背部的冲蚀磨损较其它部位更为严重。因此,实际管道系统中的弯管背部应为定点测厚重点监测区域。     

结构参数对压裂双弯头冲蚀及流致变形的影响*

双弯头管汇是水力压裂地面高压管汇系统中的关键部件,由于高压大排量携砂压裂液在其中多次强制转向,双弯头管汇长期遭受着严重的冲蚀磨损和流致变形。为改善管件冲蚀磨损状态,从管汇结构参数的角度研究其对冲蚀率的影响。采用计算流体力学(CFD)数值模拟,结合离散相模型(DPM)和流固耦合(FSI)方法,对双弯头结构管汇在工况条件下的流致冲蚀和变形情况进行综合分析,研究双弯头结构参数,如连接直管长度、管道内径及弯头间连接角度对冲蚀和变形的影响。结果表明:随着连接直管长度增加,冲蚀率先减小后变化不大,而结构变形程度逐渐增大,综合考虑冲蚀磨损和结构变形,双弯头之间的连接直管长度宜设计为管道外径的4倍;大口径管道的冲蚀磨损程度更低,但会带来更大的变形,因此双弯头管汇的管内径不宜过大或过小;当2个弯头间的连接角度为0°时,冲蚀和变形程度达到最小。     

挖掘机多路阀阀口冲蚀磨损研究

针对挖掘机多路阀阀口易发生冲蚀磨损导致性能下降及失效的问题,以回转联作为研究对象,建立了以DPM离散相模型和Edwards冲蚀模型为基础的计算模型,并通过Fluent软件模拟了不同流量、阀口开度和颗粒属性下的阀口冲蚀磨损情况,针对发生冲蚀磨损最严重的阀芯区域,分析并得到了冲蚀磨损分布和冲蚀磨损率随流量、阀口开度和颗粒属性的演化规律。结果表明:阀口的冲蚀磨损情况会随流量、阀口开度和颗粒属性的变化而规律变化,对于阀芯部位,磨损面积会随阀口开度变小而变小、随流量增大而增大;开度减小和流量的增加会引起阀芯冲蚀磨损率增大,其中冲蚀磨损率对阀口开度的变化较为敏感,在小开度情况下会出现磨损率的大梯度变化情况,而流量则对冲蚀磨损率影响较为平缓;当固体颗粒在油液中的质量一定时,颗粒直径的变化对阀芯冲蚀磨损率有较大影响。     

Assessment of the erosion resistance of steels used for slurry handling and transport in mineral processing applications

The wear environment of steels used for containing, transporting and processing erosive mineral slurries is often such that fluid borne particles form a layer moving at high speed across the wearing surface. Information on the performance ranking of such materials is limited, particularly with respect to the influence of steel hardness and microstructure on the resistance to erosion. This is particularly important for the oil sands industry of Northern Alberta where handling and processing of essentially silica-based solids results in extremely severe wear conditions. This paper presents slurry erosion data obtained on 11 commercially available wear resistant plate and pipeline steels with hardness values up to 750 HV. These data were obtained using a Coriolis erosion tester operated at 5000 rpm with an aqueous slurry containing 10 wt.% of 200–300 μm silica sand particles.

The Coriolis erosion tester was selected because it provides a low-angle scouring action that simulates the erosive conditions encountered in oil sands and tailings pipeline transport and in some related processing operations. Results show that this test method is able to discriminate clearly between the erosion resistance of these steels, expressed in terms of specific energy (the energy necessary to remove unit volume of test material), with the most erosion resistant steel being more than five times superior to the least resistant. A graphical relation between steel hardness and erosion resistance is given. A comparison is also made between slurry erosion data and the performance of the materials in the ASTM G65 dry sand rubber wheel (DSRW) sliding abrasion test. Comments on the influence of the macro- and microstructures of the steels on their wear behaviour are included.     

Upstream swirl-induction for reduction of erosion damage from slurries in pipeline bends

Industries which transport slurries and other particle-laden liquids in pipes expend the equivalent of millions of pounds every year to repair erosion damage caused by solid particle impingement. It is against this background that the perceived relationship between pipeline erosion and imposed swirling flow fields in pipe bends is important. Definitions of flow fields and particle dispersions which minimise erosive wear are sought to facilitate the development of new designs and geometries for slurry handling equipment. Such an approach is pertinent to industries handling valuable or hazardous material in the face of increasing safety, efficiency and economic requirements. Robust erosive wear models must be developed to explore the advantages of swirl flow and subsequent particle dispersion.

Collaboration between the universities of Nottingham and Southampton is aimed at the reduction of wear at critical locations in slurry handling pipelines by applying swirl-inducing pipes upstream of pipe bends. This paper details the improved particle distributions, particle impingement conditions and lower flowrates resulting from such swirl flow. These factors are discussed in terms of current erosion models and the predicted reduction in wear rates. Parallel visualisation studies using simulant particle-laden liquids augment computational modelling of the flow patterns.