Page 47 - 《摩擦学学报》2020年第6期

730 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

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Velocity angle/(°) 60 Velocity angle/(°) 60
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Degree/(°) Degree/(°)
(a) 2 elbow pipe (b) 7 elbow pipe
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Velocity angle/(°) 60 Velocity angle/(°) 60
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Degree/(°) Length
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(c) 9 elbow pipe (d) 5 variable diameter pipe

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Fig. 5 The fluid impact angle in the 2 (a)，7 (b)，9 (c) elbows and 5 variable diameter pipe (d)
图 5 2号弯管(a)、7号弯管(b)、9号弯管(c)号弯管和5号变径管(d)的流体冲击角度
面的力主要由垂直壁面的冲力和水平方向的剪切力 小于7号弯管. 对于5号变径管而言，尽管其整体冲击
组成. 当颗粒冲击角度较大时，壁面主要受到颗粒的 角度均较小，颗粒对壁面的作用主要为易发生破坏的
正面冲击；当冲击角度较低时，壁面主要受到颗粒的 剪切力，但由于变径管5入口处整体流速较低，如图4(d)
剪切作用. 所示，同时由于变径管的管径是逐渐变化的，与弯管
对于2号弯管而言，其流体的冲击角度在80°~ 的整体改向不同，其对变径管壁面的冲击作用主要由
90°范围内，如图5(a)所示，即弯管内颗粒主要正面撞 近壁面处的颗粒产生，而管道中心区域大部分颗粒仍
击管道壁面. 对于7号弯管而言，流体的冲击角度主要 保持原先运动不变，所以5号变径管的最大冲蚀率小
在10°~30°范围内，壁面主要受到颗粒的剪切作用，发 于7号弯管.
生切削式冲蚀磨损失效，如图5(b)所示. 对于9号弯管 2.2 流体速度对管道冲蚀的影响
而言，流体的冲击角度主要在30°~80°，即壁面会同时 仿真得到管道入口流体速度的影响规律如图6所
受到正面冲击力和剪切作用，如图5(c)所示. 5号变径 示，其中，颗粒粒径为70 μm. 由图6可以看出，2号、
管其流体主要在0°~20°低角度范围内对管壁进行撞 7号、9号弯管和5号变径管的冲蚀率均随着流体速度
击，如图5(d)，因此管道磨损形式主要为切削式冲蚀磨 的增加而加剧，但其最严重冲蚀位置不随速度发生变
[25-26]
损. 一般典型的塑性材料最大冲蚀率出现在15°~30° ， 化. 其中，2号弯管的整体冲蚀率最低，且其冲蚀失效
#
20 碳钢作为典型的塑性材料，其抗压强度大于抗剪强 高危区位于弯管下游. 对于7号弯管和9号弯管而言，
度，因此更易受到剪切作用发生破坏. 对于7号弯管而 尽管其压力和速度分布相似，如图4所示，但其冲蚀磨
言，由于其内流体速度较大，且整体冲击角度相对较 损行为却明显不同：随着速度的增加，7号弯管逐渐在
小，弯管近壁面层和中心区域的大部分颗粒在离心力 30°及65°左右两个位置呈现明显冲蚀峰，且65°左右冲
和重力作用下以较小的冲击角度对弯管外拱处产生 蚀率峰值增幅更大；而9号弯管只在60°左右存在冲蚀
切削作用，因此本研究中7号弯管的最大冲蚀率最大. 率峰值. 这与弯管的布置方式有关，7号弯管以水平-
而2号弯管主要受到正面冲击作用，且流体速度较小， 竖直流向的方式布置，如图7(a)所示，部分颗粒运动到
如图4(a)所示，因此颗粒冲击磨损较小. 虽然9号弯管 弯管外拱处时，其受到离心力以及重力沉积作用显
同时承受颗粒的正面冲击和剪切作用，但与7号弯管 著，近壁面的颗粒以较小的冲击角在弯管前部边频繁
相比其颗粒管壁的剪切作用较弱，因此其最大冲蚀率 撞击管壁，导致弯管靠入口侧的管壁冲蚀严重，而弯