从结构角度探究弯头冲蚀机理及优化措施

李可心，宋鹏飞

（青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266000）

摘 要：在化工生产中，常规管道上直角弯头易被冲蚀失效，因此设计了一种带有缓冲腔的T型弯头，采用盲盖封堵。运用CFD-DPM软件分析常规直角弯头和T型弯头的内部流场及冲蚀情况，以及对改造前后弯头断口形貌的观察，结果显示T型弯头相较于常规直角弯头具有更好的耐冲蚀性能。在相同工况下，T型弯头减薄泄漏现象明显减少，同时降低了最大冲蚀率。T型弯头利用缓冲腔来替代管材本体改变液体流向，避免管道本体与介质直接接触，进一步延长了管道整体的使用寿命，极大节省了成本。

关键词：冲蚀失效;T型弯头;气液两相流

在石油化工领域，管道系统承担着>80%的原料和产品输送任务，其可靠性直接影响生产安全。因生产需要，通常采用管道本体作为介质冲击靶向面，利用管道弯受冲击改变流动方向，这就造成了在化工生产中长期存在管道本体弯头冲蚀减薄、泄漏现象，严重的甚至因为冲刷腐蚀造成工艺管线减薄，导致石油化工原材料泄漏造成装置着火爆炸。此外，凝结水管道长期处在氧腐蚀和两相流冲刷双重环境作用下，也频繁出现弯头减薄造成的介质泄漏现象，对装置平稳生产有很大的影响。因此，掌握管线内的冲蚀规律，提出有效的改进措施，具有十分重要的意义。

1 弯头冲蚀磨损机理

1.1 冲蚀磨损的基本概念

冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度冲击材料表面，导致材料逐渐流失的现象。在管道弯头处,由于流体流向发生改变，极易形成瑞流和涡流，使得介质对弯头内壁产生强烈的冲击和切削作用，进而造成材料的磨损。

冲蚀磨损的程度受到多种因素的影响，包括流体的流速、介质的物理化学性质、弯头的结构参数以及材料的性能等。其中，流速是影响冲蚀磨损的关键因素之一。根据相关研究，冲蚀速率与流速的n次方成正比(n通常在2～3之间)，即流速的微小增加可能会导致冲蚀磨损程度的显著加剧。

1.2 流体中粒子与冲蚀的关系

根据研究，颗粒导致的冲蚀会对管道的安全生产造成严重威胁。本文研究的弯头冲蚀靶材是Q235钢材，属于塑性材料。冲刷腐蚀的本质表现为：当颗粒介质与管道冲击靶向面发生碰撞后，在管道内部的材料表面产生冲击痕，同时，颗粒碰撞的切削作用会在其运动方向的另一侧引发能量积聚。在随后的颗粒冲击作用下，这些能量不断积聚，最终导致管道内部材料表面被冲击脱落，从而造成管线的腐蚀减薄。影响材料冲蚀磨损量的因素众多，如冲击速度、角度、时间、环境温度等环境因素，颗粒硬度、形状、尺寸等磨料性质，以及内部组织、力学性能、物理性质等。其中，对冲蚀磨损影响最大的环境因素是流体的速度。在一定的时间段内，速度越大的粒子，拥有的动能越大，冲蚀造成的体积损失也会越大，造成的冲蚀后果更加严重，因此粒子的速度对于冲蚀率的影响有重要作用。单个粒子的动能越大，其撞击壁面时产生的冲击力与能量传递效应越显著，对壁面的机械损伤风险相应增加。关于冲击速度与冲蚀磨损率间的数值关系，可描述为式(1)。

……