CN115539740A - 一种抗冲蚀弯管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗冲蚀弯管，包括垂直段、水平段和连接二者的弯头，弯径比R/D＝2，所述弯头的侧壁上设有交错排列的多个凸起和凹陷，凸起的内腔与弯头内腔连通；本发明通过凸起和凹陷结构改变颗粒运动轨迹，减小颗粒与壁面的碰撞次数，降低近壁面处流速，减小颗粒撞击壁面速度，凸起顶部与凹陷底部形成稳定的双低速逆流区，使颗粒吹离管壁，从而减小冲蚀。
Description
技术领域
本发明涉及气固两相流输送管道领域，具体涉及一种抗冲蚀弯管。
背景技术
气固两相流动中冲蚀是最常见的失效形式。ASTM国际G40-13标准认为冲蚀是由于固体表面与流体、多组分流体、撞击液体或撞击固体颗粒之间的机械相互作用而导致原材料从固体表面逐渐流失的现象。研究表明，冲蚀带来的破坏约占工业化国家国民生产总值的1％-4％。冲蚀经常发生在采矿、冶金、石油、天然气等工业生产领域，特别是泵、旋风分离器、气力输送管道等部件中，其中气力输送气固两相流中的冲蚀破坏更为严重。这种破坏不仅浪费材料，消耗能源，降低设备效率，而且加速设备故障，降低管道使用寿命。而弯管作为改变流动方向的部件，更容易因冲蚀而失效。研究表明，输送管道弯头处冲蚀破坏的程度约为直管部分的50倍。
目前传统的抗冲蚀方法主要从壁面材料入手，利用复合材料、表面涂层、表面改性等提高管壁的抗冲蚀性能。这种方法可以一定程度上减小冲蚀，但制造难度大，成本高，不利于能源绿色化。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种抗冲蚀弯管，其结构简单，能够有限提高弯管的抗冲蚀性能，从而延长弯管使用寿命，节约成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种抗冲蚀弯管，包括垂直段、水平段和连接二者的弯头，弯径比R/D＝2，所述弯头的侧壁上设有交错排列的多个凸起和凹陷，凸起的内腔与弯头内腔连通。需要说明的是，弯径比R/D指弯管的内径中心线圆弧的曲率半径R和弯管的内径D的比值；交错排列指的是指任意相邻的两个凸起之间设有一凹陷，任意相邻的两个凹陷之间设有一凸起。
进一步改进，所述弯管包括垂直上升段、水平出口段和连接二者的弯头，垂直上升段和水平出口段的内径相等，垂直上升段和水平出口段的长度为内径的10倍以上，从而保证流体流动充分发展。所述凸起所在处的弯头内径大于垂直上升段和水平出口段的内径，凹陷所在处的弯头内径小于垂直上升段和水平出口段的内径。
进一步改进，所述凸起和凹陷沿弯头的外径方向覆盖弯头的外侧壁，每一凸起对应的圆心角为180°，每一凹陷对应的圆心角为180°。
再进一步，所述凸起和凹陷沿弯头径向的截面呈等边三角形，发明人经多次实验证明，等边三角形是最理想的结构，能够有效提高弯管的抗冲蚀性能。
进一步改进，所述垂直段、水平段和弯头为一体成型。
通过在弯管的弯头侧壁设置凸起和凹陷结构改变弯管中颗粒的运动轨迹，经实验证明，具有凸起和凹陷结构的弯管近壁面处流速明显低于普通弯管，且凸起的顶部与凹陷的底部存在高度差，造成气流在凸起内部和凹陷的背部旋转，形成稳定的“双低速逆流区”，该区域起到“空气垫”的作用，增强了流体的湍流强度，导致周围流场变化，一些颗粒将在气体的影响下直接吹离管道内壁面，减小颗粒与壁面的碰撞频率，从而减少了冲蚀。
通过本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
(1)弯管的弯头侧壁上设置的凸起和凹陷结构使进入弯头中的颗粒的运动轨迹发生改变，从而减少了颗粒与壁面的直接碰撞，一定程度上减小了冲蚀。
(2)相比于复合材料、涂层、表面改性等成本高、制造难度大的抗冲蚀方法，具有凸起和凹陷结构不仅可以改善弯管内部的抗冲蚀特性，而且具有技术难度小，制造工艺简单，成本低的优点。
附图说明
图1是本发明抗冲蚀弯管结构示意图；
图2是本发明抗冲蚀弯管的弯头结构示意图；
图3是本发明抗冲蚀弯管的弯头剖视图；
图4是两种弯管的冲蚀模拟云图；
图5是两种弯管中颗粒的运动轨迹云图；
图6是两种弯管中颗粒的速度矢量分布云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“侧”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1至图3所示，一种抗冲蚀弯管，包括垂直上升段10、水平出口段20和连接二者的弯头30，垂直上升段10、水平出口段20和弯头30为一体成型。垂直上升段10和水平出口段20的内径相等，所述弯头30的弯径比R/D＝2，垂直上升段10和水平出口段20的长度为直径的10倍以上，所述弯头30的侧壁上设有交错排列的多个凸起31和凹陷32，所述凸起31所在处的弯头内径大于垂直上升段10和水平出口段20的内径，凹陷32所在处的弯头内径小于垂直上升段10和水平出口段20的内径。
凸起31和凹陷32沿弯头30的外径方向均匀分布于弯头外侧壁，凸起31和凹陷32沿弯头30径向的截面呈边长为4mm等边三角形；具体的，沿弯头90°方向均匀分布有凸起11个，凹陷10个，呈现一个凸起31一个凹陷32的交错排列方式，每一凸起31对应的圆心角为180°，每一凹陷32对应的圆心角为180°，沿弯头环形方向覆盖弯头的一半。
下面以弯管的冲蚀率为主要指标，确定本方案抗冲蚀弯管的抗冲蚀特性。在本实施例中，管道材料为铝，直径为50mm，管内气固两相流分别为空气和沙粒。空气的密度为1.18kg/m3，粘度1.8×10-5Pa·s，流速为30m/s，沙粒密度为2650kg/m3，粒径为单一粒径100μm，颗粒质量流量为0.02kg/s，入口速度与连续相空气流速相同。
运用Fluent软件对抗冲蚀弯管和普通弯管进行冲蚀数值模拟研究，以气固两相流固体颗粒冲蚀弯管壁面，其冲蚀模型为：
式中，E为弯管的冲蚀率，F为经验常数，Bh为壁面材料的布氏硬度，n为速度指数，V为流速，k为冲蚀指数，γ为侵入角，f(γ)为侵入角函数。
侵入角函数f(γ)计算公式为：
式中模型常数分别为：A＝1.44×10-8,γlim＝23°，n＝2.2，b＝-7，c＝5.45，x＝0.4，y＝-0.9，ω＝-3.4。
抗冲蚀弯管的抗冲蚀性能相对于普通弯管的抗冲蚀性能提升值用η表示，计算公式为：
其中，E1为普通弯管的最大冲蚀率，E2为抗冲蚀弯管的最大冲蚀率。
图4是两种弯管的冲蚀模拟云图，其中左侧为普通弯管，右侧为具抗冲蚀弯管。由图中可以直观看出，普通弯管的外侧壁形成了大面积的冲蚀区，且局部的冲蚀率达到8.55×10-5kg·m-2·s-1以上；而抗冲蚀弯管的外侧壁形成的冲蚀区面积小于普通弯管，且冲蚀区的冲蚀率集中在5.7×10-5kg·m-2·s-1，因此可以看出的具有凸起和凹陷结构的抗冲蚀弯管抗冲蚀性能相比于普通弯管的抗冲蚀性能提高。经软件计算出，普通弯管的最大冲蚀率E1为1.14×10-4kg·m-2·s-1，抗冲蚀弯管的最大冲蚀率E2为7.48×10-5kg·m-2·s-1，抗冲蚀性能η提高34.39％。
图5是两种弯管中颗粒的运动轨迹云图，其中左侧为普通弯管，右侧为抗冲蚀弯管。由图中可以看出，携带固体沙粒的连续相气体流入普通弯管的弯头区域后，直接与弯头的外侧壁面碰撞并反弹，反弹后的颗粒顺应气体流出了弯头区域，从而在弯头内侧形成一块无碰撞区域。这也就解释了为什么图中冲蚀的区域主要集中在弯头外侧壁，而弯头内侧壁几乎不发生冲蚀。而携带固体沙粒的连续相气体流入抗冲蚀弯管时，由于凸起和凹陷结构的存在，颗粒进入弯头便于凸起和凹陷结构发生碰撞，从而改变了颗粒轨迹，并且颗粒与该结构碰撞之后重新弹回计算域(即弯头内部区域)，减小颗粒与弯头外侧壁面的直接碰撞，从而减小了对外侧壁的冲蚀。图中可以看出，抗冲蚀弯管的近壁面处迹线呈现旋涡状。
图6为两种弯管中颗粒的速度矢量分布云图，其中左侧为普通弯管，右侧为抗冲蚀弯管。由图中可以看出，当携带固体沙粒的连续相气体流经凸起和凹陷结构时，其表面流速明显低于普通弯管，并且弯头区域中低速区(＜25m/s)范围较大。这是因为颗粒与凸起和凹陷结构发生碰撞时消耗了大部分颗粒的动能，从而降低了颗粒的运动速度；同时，空气流经凸起和凹陷结构时，凸起的顶部与凹陷的底部之间存在高度差，造成气流在凸起内部和凹陷的背部旋转，形成稳定的“双低速逆流区”，该区域起到“空气垫”的作用，增强了流体的湍流强度，导致周围流场变化，一些颗粒将在气体的影响下直接吹离管道内壁面，减小颗粒与壁面的碰撞频率，从而减少了冲蚀，延长管道的使用寿命。
尽管结合优选实施例具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种抗冲蚀弯管，其特征在于：包括垂直段、水平段和连接二者的弯头，弯径比R/D＝2，所述弯头的侧壁上设有交错排列的多个凸起和凹陷，凸起的内腔与弯头内腔连通。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲蚀弯管，其特征在于：所述弯管包括垂直上升段、水平出口段和连接二者的弯头，垂直上升段和水平出口段的内径相等，垂直上升段和水平出口段的长度为内径的10倍以上，所述凸起所在处的弯头内径大于垂直上升段和水平出口段的内径，凹陷所在处的弯头内径小于垂直上升段和水平出口段的内径。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗冲蚀弯管，其特征在于：所述凸起和凹陷沿弯头的外径方向覆盖弯头的外侧壁，每一凸起对应的圆心角为180°，每一凹陷对应的圆心角为180°。
4.根据权利要求3所述的一种抗冲蚀弯管，其特征在于：所述凸起和凹陷沿弯头径向的截面呈等边三角形。
5.根据权利要求1所述的一种抗冲蚀弯管，其特征在于：所述垂直段、水平段和弯头为一体成型。
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