耐磨管件磨损数值仿真及优化方案

杜占江　彭杏娜　丛相州　李新生　彭先宽

摘要：耐磨管件应用于电厂除灰管道设备当中，易因磨损失效导致泄露。使用数值模拟方法，利用欧拉方法和拉格朗日方法对气力除灰用耐磨管件内的气及固体颗粒的运动轨迹进行仿真计算。涉及的管件形式包括弯头、常规三通及异形三通。预测了磨损容易失效位置及磨损速率大小分布情况。基于数值仿真结果，对某电厂的常规耐磨管件用堆焊衬板在易磨损位置进行了加强，给出了堆焊材料的化学成分及堆焊工艺参数。通过堆焊处理，延长了耐磨管件的使用寿命。

关键词：耐磨弯管;数值仿真;堆焊;磨损

中图分类号：TQ022 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0096-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.19

0 前言

耐磨管件是电站除灰管道设备中的重要零部件，其寿命直接影响到整个除灰系统的运行状态。从目前一些电厂的运行经验来看，耐磨管件的磨损区域分布不均匀，多数情况是耐磨管件的某个部位率先磨漏。因此，了解耐磨弯管的磨损分布情况，对优化耐磨弯管的结构设计有指导意义。目前主流耐磨管件产品为双金属复合结构，外部材质一般为碳钢，利用其韧性和易焊接性，起支撑、连接作用，内部材料为高铬铸铁，有焊接和铸造两种形式。数值模拟分析在管道的填充输送管道冲蚀磨损[1]、管壁磨损的流体力学仿真[2]、多相流仿真[3-5]及双套管气力除灰输送仿真[6]上均有应用。

1 数值模拟分析

1.1 方法简介

对于气固两相流动模型的处理方法，按照对固体颗粒处理方式的不同可分为两种：第一种是欧拉模型（即双流体模型），它是将流体相和颗粒相当作充满整个流场且相互作用的连续介质进行研究;第二种是拉格朗日模型（即颗粒轨迹模型），它是将气体看作连续介质，将固体颗粒看作离散相，研究固體颗粒运动时各物理量的变化，即通过跟踪固体颗粒运动轨迹来描述固体颗粒相的运动。由于本文的研究对象为较高浓度的颗粒（50%颗粒密度），所以欧拉模型为合适的预测弯管磨损的数值模拟方法。

双流体模型属于拟流体模型，当多相流动中只存在两相时的拟流体模型即为双流体模型。双流体模型将颗粒相处理为类似流体的连续相（拟流体），认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体，两相流场可看作两种流体各自运动及相互作用的综合表现。

1.2 仿真及分析

利用数值仿真计算空气和煤灰颗粒两相流对φ159×8耐磨管件内壁的磨损影响。稠密离散相为欧拉多相流模拟并考虑颗粒的粒径分布，可用来模拟稠密颗粒流的模型。它考虑了颗粒的空隙率以及碰撞，但是颗粒间碰撞产生的力是根据KTGF下颗粒的应力张量计算得到，而非用软球模型计算真实的碰撞过程。磨损云图采用Oka方法计算磨损率。而Oka模型适用于小颗粒与固体壁面。在本次耐磨弯管模型，煤灰当作小颗粒，弯管壁面为固体表面。模拟型式分为：90°弯管、三通、异形三通A、异形三通B。

（1）90°弯管。

弯管的磨损仿真结果如图1所示，气和煤灰两相流从入口注入，弯管外弧处磨损速率最高。

（2）三通。

体积分数分别为50%的煤灰分别从入口1与入口2注入，入口1 的煤灰沿管道方向径直走向出口，而从入口2进入的煤灰首先要经过管道转弯处，故此处磨损率最大。当入口1与入口2的煤灰汇合时，尤其是从入口2 进入的煤灰，因为切线速度的缘故，会冲向直管道的壁侧，造成磨损。三通的磨损仿真结果如图2所示，有两处磨损严重，分别位于管道转弯处与管道汇合处，最大处位于弯管外弧。

（3）异形三通A。

体积分数为50%的煤灰从入口注入沿直管行进，当遇到最终Y型分叉后，煤灰分别走向两个出口管道，并在管道弯侧造成磨损。异形三通A的磨损仿真结果如图3所示，在两个出口弯管外弧处磨损率最大。

（4）异形三通B。

煤灰从入口1与入口2注入，煤灰体积分数为50%。第一个磨损位置位于入口1所在弯管，因为其曲率大于入口2所在管道。当二者在Y型分叉汇合后，会有部分煤灰因为斜线速度的惯性作用，对直管道的壁侧产生一定的磨损。异形三通B的磨损仿真结果如图4所示，磨损率最大状况出现在管道弯道处与接近分叉的直管处。

2 堆焊方案

根据以上耐磨弯管的磨损模拟仿真分析结果，对某电厂的耐磨管件预测的严重磨损部位加焊堆焊衬板予以补强。堆焊衬板母材材质为Q235B，根据《DL/T 680-2015电力行业耐磨管道技术条件》推荐的堆焊材料选取DNM-IV-G，堆焊层的熔敷金属化学成分如表1所示。焊丝直径为φ2.4 mm，采用埋弧焊进行堆焊，参照NB/T 47014-2011进行堆焊工艺评定。焊接工艺参数见表2，堆焊层硬度为HRC55，厚度约10 mm。

加焊耐磨衬板的管件在该电厂已安全运行超过12 000 h，而未改进的耐磨管件运行5 000～6 000 h后失效。

3 结论

（1）对4种型式的耐磨管件进行了数值仿真分析，预测了最大磨损位置，为实际工程耐磨弯管的修复及预防提供了借鉴。

（2）对某电厂的耐磨管件预测的严重磨损部位加焊堆焊衬板予以补强，大大延长了使用寿命。

参考文献：

[1] 刘原勇，陈云华，朱翠雯. 充填输送管道冲蚀磨损分析[J].润滑与密封，2015，40（7）：106-109.

[2] 高罗辉，姚振强，梁鑫光，等. 旋流气力输运中水平管道管壁磨损的流体力学仿真与分析[J]. 机械设计与研究，2012，28（2）：88-92.

[3] 偶国富，龚宝龙，李伟正，等. 煤液化多相流输送管道冲蚀磨损分布预测及分析[J]. 浙江理工大学学报，2014，31（5）：247-251.

[4] 肖龙飞，张锦洲，江一平，等. 基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟[J]. 长江大学学报（自科版），2016，13（19）：37-41.

[5] 许留云，李翔李，伟峰，等. 三通管中不同流体介质冲蚀磨损的数值模拟[J]. 当代化工，2014，43（12）：2718-2720.

[6] 张轲轲，杨大力，周靖. 双套管浓相气力输送的数值模拟[J]. 电力建设，2008，29（11）：64-66.