挖泥船疏浚管路的磨损分析及耐磨材料的应用
摘 要：挖泥船疏浚管路在高浓度泥沙的运输过程中，对管道尤其对弯道处的管路会产生必然的物理磨损。为降低疏浚管路的物理磨损并延长管道使用寿命， 本文基于fluent软件采用数值模拟方法分析高浓度泥沙在长距离非直型管道中的流动压强、流速及磨损特性。在此基础上对磨损较为严重的弯管内壁使用优异的耐磨材料，以延长疏浚管路使用寿命，提高疏浚管路的性能及效率，减少停机维修率。
关键词：泥沙； 弯管；磨损；fluent；耐磨材料；数值模拟
1 引 言
我国幅员辽阔，拥有众多江河湖库，其河道和港口码头的淤积非常严重，因此对于清淤疏浚工程船的需求量极高。同时，随着海运和内河水运的发展，船舶的吨位和数量越来越大，使其相应的码头、航道都要进行与之相对应的升级，以满足通航的需求，因此要对疏浚船的要求越来越高，以便更高效的快捷的完成相应的疏浚工程。
随着国内疏浚行业的快速发展，挖泥船疏浚管路的耐磨性能日益受到关注，而与之配套的耐磨材料如HARDOX 400、JFE-EH400、堆焊钢管（如信铬钢）、双套管、铸造合金管等均已逐步在挖泥船疏浚管路上推广与应用。为进一步提高疏浚管路的耐磨性能，增加耐磨材料的有效利用率，现对挖泥船艏吹管系的部分管路建立数学模型，运用 fluent软件模拟仿真分析，揭示疏浚管路的磨损规律。
目前，在对弯管的磨损研究上，国外有Arvind Kumar等人[1]利用Fluent软件模拟体积浓度为16.28%的石英砂在一个90度的弯管，以不同的速度冲击的磨损变形，并与实验结果做了比较，得出CFD模拟结果与实验结果相当吻合；Dr. Ehab Elsaadawy等人[2]利用Fluent DPM模型研究了运输天然气管道在不同的弯道处、不同速度下的磨损侵蚀率，得出了一些较为经典的结论。国内的张慧君等人[3] 利用Fluent 软件对90 °弯管分别取3 种不同管径、8 种弯径比，进行了液固两相流流场的数值模拟，得到湍流状态下管内流体的速度分布，通过二次开发将磨损模型嵌入到Fluent 软件中，实现了对弯管部位的磨损预测；宗营营等人[4] 利用Fluent软件对煤风管道内气-固两相流进行模拟仿真，观察固体颗粒运动轨迹，对管道内冲蚀磨损进行研究分析，发现燃烧器设计的不合理因素，对煤粉燃烧器结构改进和相关参数优化有一定指导意义。
2 泥沙两相流理论模型
对于泥沙流，采用Ansys12.0中Fluent模块内新增模型 Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）对高浓度泥沙两相流进行数值模拟，该模型兼顾了Eulerian Model 对两相流模拟的优点并克服了传统DPM模型只能对低体积分数进行模拟的弊端，能很好的模拟相间的相互作用，同时也能模拟颗粒的运动轨迹。由于泥沙在实际运输的过程中的体积分数高达40%，并且泥沙的存在对液相的流动存在一定的影响，尤其是在弯管处的影响更为显著，所以采用Eulerian + DDPM模型对泥沙两相流动研究较传统单独采用Eulerian双流体模型研究更具有优越性。
2.1 流体连续相控制方程
2.3 磨损方程
3.2 网格划分
用ICEM CFD软件对模型进行结构网格划分，创建有限元模型，为提高边界层的计算精度，在靠近泥管壁附近区域，沿半径方向采用渐进距离网格进行离散，其模型网格单元总数量：239768。其交接处结构网格与截面网格形式如图2所示。
3.3 边界条件和初始条件
使用fluent软件内的Eulerian与DDPM模型，湍流计算采用k-εRNG模型；入口处采用速度边界条件，因大出口有阀门控制处于关闭状态，故设为无滑移固壁条件；小出口设置为自由出流（outflow），壁面采用无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法确定固壁附近的流动。
3.4 数值模拟结果
3.4.1 速度分布
分析图3可知，液相与粒子固相的速度分布很相似，仅是在速度出口处有明显不同。
两者速度均在管道弯壁内侧出现明显增大，相接处达到最大。
从图4a可以看出：在入口直管段壁面附近，粒子速度分布相对均匀，流经弯管时，由于流向发生改变，粒子速度分布发生很大变化。图4a、图4b、图4d均显示在内拱壁面，粒子速度在弯管起始位置先增加而后又明显降低；在外拱壁面，粒子速度在弯管起始位置先降低而后又增加。这是因为粒子流经弯管时，在内拱壁弯管处，流体运动方向背离壁面，动能损失较少，且受重力和离心力所用，此处粒子数量少，压力也小，从而引起液相和粒子速度都明显增大，而后随着离心力的减弱，粒子速度随之降低；在外拱壁弯管处，流体冲击角度很大，动能损失严重，速度大大降低，其粒子速度也减小。
从图4c分析知：在岔口处，流域增大，受分岔管壁长时间泥沙的堆积影响，减缓了粒子运动速度。从图4d知，由于开口直径的减少，在同等压强下，必然会使粒子速度增加。
3.4.2 冲击磨损分析
由图5为粒子磨损速率云图的对比，相对于粒子对管道的磨损，管道中的液相对管道的磨损非常小，可以忽略。故粒子是造成磨损的主要原因，所以可仅对粒子进行相关的分析。由公式（6） 可以看出磨损主要受粒子数量、粒子速度和冲击角度等影响。
由图5b分析知：因采用的是面源喷射模型，在其入口处容易造成粒子对管壁固体颗粒对弯管部磨损较为严重。在入口直管段，流体端动程度较小，粒子分布均匀，使其造成的冲击磨损缓慢变小。因此处弯管是沿空间斜向上方向延伸，粒子进入到弯管之后，在内拱壁，速度增大，但磨损降低。其原因一是由于受惯性力作用，弯管内拱壁粒子较少；二是大多数粒子的冲击角度较低，接近内壁切线 ，对壁面造成不了冲击，所以磨损较小。而在外拱壁，虽然粒子速度有降低，但粒子累计冲击数量较大，接触面积广，冲击角度较大，磨损明显增大；同时弯管背向延伸，使其磨损区域扩大。
由图5c分析知：对于形状类似的第二弯壁，必然会产生类似的磨损效果；同时由于受到管路扭转角度的影响，使其出口粒子在惯性力与离心力的作用下与直管壁产生角度冲击。
由图5d分析知：第三弯壁处同前面分析的弯壁表现出不同的磨损变化，因出口管路径向缩小，压强增大，速率增加，一方面必然会导致出口磨损加大，另一方面使其磨损在颈缩处大范围出现。
对于岔口处弯壁来说，由图5a可以明显看出，因其粒子在此堆积，内壁处受来流的来回冲击，磨损在岔口内壁是最严重的，而岔口的背壁， 主要是此处流域变大，使其磨损处较内壁较轻。
4 结 论
（1）利用Fluent 软件，采用Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）模块和磨损模块可实现泥沙液固两相流在管道内的流场模拟。同时，利用流场计算结果及磨损模型，可预测磨损区域及磨损速率进而优化耐磨管路的布置，提高耐磨材料利用率。
（2）通过计算发现，磨损严重区域为弯管区的外拱壁处，说明颗粒的存在对弯管壁面的剪切应力分布影响最大，同时，该处受冲击影响较深，受力也较大，处于危险区域，此处耐磨性能要求高，需采用耐磨性能相对最高的耐磨材料，并进行局部加厚处理，以提高管路的整体使用寿命，避免因局部磨穿而造成的整根泥管报废。
（ 3 ） 利用本文方法可对疏浚管系进行分析计算，以考虑、不同流体输送条件如温度、速度、固含量等因素的影响，得到适用于具体工况条件的合理的管路尺寸、耐磨材料选择。
参考文献：
[1] Arvind Kumar，D. R. Kaushal ，Umesh Kumar. 3D CFD Modeling and Experim-ental Validation for Slurry Flow through Pipe Bend [J]. Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. 2008 7：105-110.
[2] Dr. Ehab Elsaadawy and Dr. Abdelmounam M. Sherik. Black Powder Erosion in Sales Gas Pipeline Bends[J]. Saudi Aramco Journal of Technology ，2010.
[3] 张慧君，付林，高炳军. 油煤浆输送管路弯管部位液固两相流流场的数值模拟与磨损预测[J].河北工业大学学报， 2010.12， 36（6）： 66-71.
[4] 宗营营， 马德毅， 宋丹路， 彭家强. 基于Fluent的煤粉燃烧器风管流场数值模拟与分析[J]. 起重运输机械， 2012， 3： 41-45.
[5] 王福军. 计算流体动力学分析— CFD软件原理与应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004.
[6]Ansys. Ansys Fluent Help 12.0 [M]. 2009