異徑管-大小頭
-
異徑管是石油化工裝置管道中常用的連接配 件，可起到改變管徑調節(jié)介質流速、改變管道走向 而管內介質流線都能順暢，減少其壓降和溫降口]， 且可增加管道柔性減緩管道應力等多方面重要作 用[2]，常用異徑管的地方是泵的進出口、調節(jié)閥的 進出口、溫度計擴大管左右和再沸器進料分配管 后[3]?，F(xiàn)階段異徑管的設計與選用主要根據(jù)國內 外標準進行[4-s]。在實際使用中由于異徑管沖蝕 穿孔、應力腐蝕、管件成形中在內壁面產生的溝痕 等原始缺陷，以及邊緣連接環(huán)縫區(qū)的開裂而導致 的異徑管失效事故時有發(fā)生[6。]。沖蝕穿孑L是異 徑管局部失效的主要原因之一。
近年來，國內外學者運用實驗、理論、數(shù)值計 算等方法對異徑管沖蝕腐蝕磨損、流場以及應力 等進行了部分研究，如偶國富等通過二維建模對 異徑管氣液兩相沖蝕磨損進行了研究，得出流體 流向為“小進大出”時對腐蝕產物保護膜的影響要 比“大進小出”小的多[83；陳孫藝等對異徑彎管的 無力矩環(huán)向應力進行了計算分析，得出內壓在異 徑彎管中引起的環(huán)向應力大小及分布與異徑管大 端圓面平均半徑、小端圓面平均半徑、壁厚、錐底 角及經向彎角，管截面的圓周角有關[9]。但對尺 寸與沖蝕情況之間關系的研究較少，為此作者通過對不同尺寸異徑管進行沖蝕模擬研究，得出沖 蝕情況與異徑管尺寸之間的關系，以期為異徑管 的選取、制造及安全檢測提供參考意見。
氣相人口速度取u一10 m／s，入口p(顆粒)一 1、5、10、15、20 g／m3。顆粒相人口邊界條件為將 顆粒入口處的射流源設為面源，顆粒均勻地分布 在整個入口截面的網格上，由每一個網格中心射 人，設定顆粒的人口速度與氣相入口速度相同。 計算過程中顆粒無質量變化，無熱量傳遞，所以只 設定顆粒密度和粒徑。模擬粉料選用單一粒徑煤 粉，顆粒堆積密度為973．43 kg／m3，顆粒粒徑為 80雎m。
氣相出口邊界條件按充分發(fā)展的管流條件處理，所有變量在出口截面處軸向梯度aD／az為 零。顆粒相出口邊界條件為完全逃逸。氣相流場 在壁面采用無滑移邊界條件，近壁網格采用標準 壁面函數(shù)近似處理。顆粒對壁面的碰撞恢復系數(shù) 取為完全反彈。
6種尺寸異徑管在人I=I p(顆粒)一15 g／m3 時的沖蝕嚴重位置圖見圖2。由圖2可以看出隨 尺寸變化的規(guī)律為：在小角度時，沖蝕嚴重區(qū)域比 較均勻，其形狀為斑點狀，分布在0．1～0．4 L之 間壁面區(qū)域；隨角度的上升，沖蝕區(qū)域(20。)向0．1～ 0．5 L之間擴展，嚴重區(qū)連成片狀；隨角度繼續(xù)上 升，嚴重沖蝕區(qū)域片狀形狀更加明顯，嚴重區(qū)域集 中在出口管與變徑區(qū)域相連處，如在60。時，只在 0．1～0．2 L之間且?guī)缀踹B成環(huán)狀，在90。時，嚴重 沖蝕區(qū)域完全連成環(huán)狀，其寬度為0．1～0．5 L。 (注：嚴重沖蝕區(qū)域定義為最大沖蝕率的50％ ～100％)
對7種尺寸異徑管的不同人口p(顆粒)進行 對比研究，結果見圖3。從圖3中可知：在低濃度 時(1 g／m3)，異徑管沖蝕率隨角度上升而緩慢上 升，不同尺寸異徑管的沖蝕率相差不大；隨著入口 ID(顆粒)上升，曲線有顯著變化，入El lD(顆粒)為 10 g／m3時，隨著尺寸的變化，沖蝕率先快速上升，后在30。時上升幅度變緩慢，在70。之后沖蝕 率開始下降，并在90。時沖蝕率下降為8×10-8 kg／m2·S，小于70。時的1．13×10-7 kg／m2·s， 也小于45。時的8．75×10_8 kg／m2·S，且隨人口 p(顆粒)的上升，此種趨勢變得更加明顯。這是因 為顆粒撞擊壁面角度隨變徑區(qū)域角度上升而增 大，而壁面沖蝕嚴重程度隨入射角度的上升的趨 勢為先上升后下降，并存在最嚴重的撞擊角 度[11|。同時入口p(顆粒)越大，差異累積越嚴重， 故在入VI JD(顆粒)為20 g／m3時，曲線先上升后下 降的趨勢最明顯。此外流場在變徑區(qū)域轉向，進 而帶動顆粒轉向，導致顆粒與壁面的實際撞擊角 度并不是異徑管的變徑角度。
為分析入口p(顆粒)與異徑管沖蝕嚴重程度 之間的關系，選定入口速度為10 m／s，p(顆粒)分 別為1、5、10、15、20 g／m3，并對異徑管沖蝕嚴重 的部位進行取點研究，結果見圖4。
(1)異徑管的沖蝕區(qū)域主要位于變徑區(qū)域壁 面，嚴重的沖蝕部位位于靠近出口的變徑壁面。
(2)異徑管的嚴重沖蝕率隨人口濃度的上升 線性上升，隨角度上升而呈現(xiàn)先增大后減小的趨 勢。且嚴重沖蝕區(qū)域的形狀從小角度的斑點狀向 大角度的環(huán)狀變化。
(3)工業(yè)使用異徑管時應避開最嚴重沖蝕變 徑角，在進行異徑管的檢測時，應對靠近出口側的 變徑壁面加密測點。同時可減小人口p(顆粒)和 加厚變徑區(qū)域壁厚的方式減弱異徑管變徑區(qū)域的 沖蝕破壞作用。此外根據(jù)作者研究得出的異徑管 沖蝕速率可以方便、快捷的預測出管道的壽命。
