...压加热器密封水管线冲蚀问题分析
张涛
[摘 要]冲蚀是一种危害比较大的局部腐蚀现象，它比单纯的腐蚀或者单纯的机械磨损严重得多。管道壁厚由于腐蚀变薄，压力过大就会导致泄漏或爆管。管道内冲蚀和腐蚀破坏的机理较为复杂，不仅要分析力学因素，还需要分析化学因素。国内外目前对冲蚀和腐蚀破坏的研究仍然以实验研究为主要方式，对于如何降低冲蚀和腐蚀破坏的研究较少。本文对管道冲蚀的研究现状和问题进行简要讨论。
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0152-01
1 冲蚀磨损的研究
1.1 国内研究现状
国内的学者龚敏最早于1995年就通过查阅和研究相关的国外文献，对不同因素对冲蚀产生的影响进行了分析和研究，并且提出了一种研究冲蚀影响因素的实验方法。在这之后，西安交大的方其先和刘新宽利用料浆罐式冲蚀实验机对板状试样进行分析，得到了两种不同不锈钢的冲蚀规律。还得出了只有在冲刷速度高时，力学性能对材料的耐冲蚀能力才会有显著影响；冲蚀在不同冲刷角度时的规律，也受到材料的力学性能的影响。随后他们又对处于液固两相流中的材料的耐蚀性和机械性能进行了研究。研究结果表明在弱酸性环境下的液固两相流中，对冲蚀作用最大的是材料的耐蚀性，而机械性能对其影响仍然是只在高速冲刷当中才有作用。对于不同冲刷角度的冲蚀规律，材料的性能仍然是主要的影响因素。丁庆如研究了高温下炼油设备的冲蚀，研究结果表明，存在于原油环境中，高温下会对炼油设备产生强烈的腐蚀破坏。另外，武汉工业大学的罗志平也进行了材料的冲蚀磨损研究，研究结果表明，影响韧性材料冲蚀性能的主要因素是材料的弹性模量而并不是材料的硬度；只有在入射颗粒的直径较小时或入射角度比较小时，才会存在脆性材料冲蚀率相比韧性材料要小的情况，在热喷涂涂层的冲蚀磨损情况可以反应脆性材料的冲蚀特性。
以前期的实验研究为基础，郑玉贵等人利用液固两相流数值模拟的方法对突扩圆管内的冲蚀过程进行了分析和研究。可以将整个冲蚀过程对应的综合模型分解为三部分：腐蚀模型、冲刷模型和液-固两相流动模型。在欧拉坐标系下，通过对流体相相应的雷诺时均守恒方程组进行求解来模拟流体的流场；通过随机轨道模型，在拉格朗日坐标系下获得固体颗粒的运动过程；最后结合考虑液固两相之间的双向稱合作用。根据数据验证的结果，利用上述方法构建的综合模型是具有一定可行性的。李国美、王跃社等建立了考虑颗粒碰撞的模型，并分析了节流器内液固两相流的冲蚀磨损。
1.2 国外研究现状
国外较早就有了对于管道系统的冲蚀研究，日本和欧美的很多学者在管道的冲蚀方面做了很多研究。对颗粒相的模拟目前基本可分为两大类一类运用欧拉-拉格朗日方法，另一类运用欧拉-欧拉方法。国内外学者对管线钢材料内在因素和环境因素，如流体及磨粒速度、冲蚀角度、冲蚀时间、硬度等因素进行了研究，相比对实际工况下弯头的冲蚀磨损研究则较少。Masaya等人研究了固体颗粒同壁面的碰撞及不同直径颗粒的近壁面函数的设置。Shirazi S.A等人利用半经验模型，对分离器冲蚀试验进行了冲蚀磨损的对比分析。其中，Chang Y.M、星野明彦、松村昌信、Pitt C.H、等人对影响冲蚀的各参数进行了规律性的研究，并且分析了腐蚀和冲刷之间的相互影响；Heitz E、Postleewaite J等人对流型与冲蚀之间相互影响、流速以及质量传递进行了综合考虑，并取得了很大的研究成果；Zeisel等人利用计算流体力学的方法对管道系统的冲蚀机理进行了分析。近年来，基于大量的实验和分析，对材料的冲蚀行为和机理，以及不同材料的耐冲蚀性能作了一定的研究，对影响材料冲蚀性能的因素也作了一定的分析和归纳。在Finnie I发表的论文中，比较系统的阐述了试验研究，阐述了在冲蚀过程中，金属和陶瓷随冲蚀角的变化而产生的冲蚀变化规律。在低冲蚀角时，塑性金属的冲蚀率会产生一个峰值，然后随着冲蚀角的增大，金属的冲蚀率随之下降；陶瓷材料的冲蚀率变化比较简单，随着冲蚀角度的增大，陶瓷材料的冲蚀率增大，在冲蚀角度达到90度时出现最大值。
3 研究存在问题
国内外对于有关气-固两相流的冲蚀磨损已经进行了很长时间，并取得了一定的成果。但在研究当中仍然存在需要完善和改进的地方，主要有以下几个方面：
（1）对于气固两相流冲蚀磨损的分析，多数是对于低压力下管道的弯头和直管段的冲蚀磨损分析，缺乏不同因素对高压下长输管线和集输管线中弯头和三通的冲蚀磨损影响分析。
（2）在冲蚀磨损方面，主要针对不同材料开展了大量的冲蚀行为和机理研究，但是对于器件的研究较少。而且仅有的器件研究集中在航空领域，以及石油领域中的节流器和管道内的液固两相流研究，还未见对于高压输气管线（集输和长输）中典型管件工况条件下的冲蚀磨损分析。
（3）对于高强度管线钢的研究，主要集中在高强钢的材料特性以及长输管线中高强度管线钢的焊接技术。缺乏实际工况条件下高强度管线钢管道的冲蚀磨损，以及管道尺寸对冲蚀磨损的影响分析。
