耐磨管件磨損數(shù)值仿真及優(yōu)化方案

杜占江　彭杏娜　叢相州　李新生　彭先寬

摘要：耐磨管件應(yīng)用于電廠除灰管道設(shè)備當(dāng)中，易因磨損失效導(dǎo)致泄露。使用數(shù)值模擬方法，利用歐拉方法和拉格朗日方法對(duì)氣力除灰用耐磨管件內(nèi)的氣及固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真計(jì)算。涉及的管件形式包括彎頭、常規(guī)三通及異形三通。預(yù)測(cè)了磨損容易失效位置及磨損速率大小分布情況?；跀?shù)值仿真結(jié)果，對(duì)某電廠的常規(guī)耐磨管件用堆焊襯板在易磨損位置進(jìn)行了加強(qiáng)，給出了堆焊材料的化學(xué)成分及堆焊工藝參數(shù)。通過堆焊處理，延長了耐磨管件的使用壽命。

關(guān)鍵詞：耐磨彎管;數(shù)值仿真;堆焊;磨損

中圖分類號(hào)：TQ022 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0096-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.19

0 前言

耐磨管件是電站除灰管道設(shè)備中的重要零部件，其壽命直接影響到整個(gè)除灰系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。從目前一些電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，耐磨管件的磨損區(qū)域分布不均勻，多數(shù)情況是耐磨管件的某個(gè)部位率先磨漏。因此，了解耐磨彎管的磨損分布情況，對(duì)優(yōu)化耐磨彎管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。目前主流耐磨管件產(chǎn)品為雙金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，外部材質(zhì)一般為碳鋼，利用其韌性和易焊接性，起支撐、連接作用，內(nèi)部材料為高鉻鑄鐵，有焊接和鑄造兩種形式。數(shù)值模擬分析在管道的填充輸送管道沖蝕磨損[1]、管壁磨損的流體力學(xué)仿真[2]、多相流仿真[3-5]及雙套管氣力除灰輸送仿真[6]上均有應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 方法簡介

對(duì)于氣固兩相流動(dòng)模型的處理方法，按照對(duì)固體顆粒處理方式的不同可分為兩種：第一種是歐拉模型（即雙流體模型），它是將流體相和顆粒相當(dāng)作充滿整個(gè)流場(chǎng)且相互作用的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究;第二種是拉格朗日模型（即顆粒軌跡模型），它是將氣體看作連續(xù)介質(zhì)，將固體顆?？醋麟x散相，研究固體顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)各物理量的變化，即通過跟蹤固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡來描述固體顆粒相的運(yùn)動(dòng)。由于本文的研究對(duì)象為較高濃度的顆粒（50%顆粒密度），所以歐拉模型為合適的預(yù)測(cè)彎管磨損的數(shù)值模擬方法。

雙流體模型屬于擬流體模型，當(dāng)多相流動(dòng)中只存在兩相時(shí)的擬流體模型即為雙流體模型。雙流體模型將顆粒相處理為類似流體的連續(xù)相（擬流體），認(rèn)為顆粒相是與真實(shí)流體相互滲透的擬流體，兩相流場(chǎng)可看作兩種流體各自運(yùn)動(dòng)及相互作用的綜合表現(xiàn)。

1.2 仿真及分析

利用數(shù)值仿真計(jì)算空氣和煤灰顆粒兩相流對(duì)φ159×8耐磨管件內(nèi)壁的磨損影響。稠密離散相為歐拉多相流模擬并考慮顆粒的粒徑分布，可用來模擬稠密顆粒流的模型。它考慮了顆粒的空隙率以及碰撞，但是顆粒間碰撞產(chǎn)生的力是根據(jù)KTGF下顆粒的應(yīng)力張量計(jì)算得到，而非用軟球模型計(jì)算真實(shí)的碰撞過程。磨損云圖采用Oka方法計(jì)算磨損率。而Oka模型適用于小顆粒與固體壁面。在本次耐磨彎管模型，煤灰當(dāng)作小顆粒，彎管壁面為固體表面。模擬型式分為：90°彎管、三通、異形三通A、異形三通B。

（1）90°彎管。

彎管的磨損仿真結(jié)果如圖1所示，氣和煤灰兩相流從入口注入，彎管外弧處磨損速率最高。

（2）三通。

體積分?jǐn)?shù)分別為50%的煤灰分別從入口1與入口2注入，入口1 的煤灰沿管道方向徑直走向出口，而從入口2進(jìn)入的煤灰首先要經(jīng)過管道轉(zhuǎn)彎處，故此處磨損率最大。當(dāng)入口1與入口2的煤灰匯合時(shí)，尤其是從入口2 進(jìn)入的煤灰，因?yàn)榍芯€速度的緣故，會(huì)沖向直管道的壁側(cè)，造成磨損。三通的磨損仿真結(jié)果如圖2所示，有兩處磨損嚴(yán)重，分別位于管道轉(zhuǎn)彎處與管道匯合處，最大處位于彎管外弧。

（3）異形三通A。

體積分?jǐn)?shù)為50%的煤灰從入口注入沿直管行進(jìn)，當(dāng)遇到最終Y型分叉后，煤灰分別走向兩個(gè)出口管道，并在管道彎側(cè)造成磨損。異形三通A的磨損仿真結(jié)果如圖3所示，在兩個(gè)出口彎管外弧處磨損率最大。

（4）異形三通B。

煤灰從入口1與入口2注入，煤灰體積分?jǐn)?shù)為50%。第一個(gè)磨損位置位于入口1所在彎管，因?yàn)槠淝蚀笥谌肟?所在管道。當(dāng)二者在Y型分叉匯合后，會(huì)有部分煤灰因?yàn)樾本€速度的慣性作用，對(duì)直管道的壁側(cè)產(chǎn)生一定的磨損。異形三通B的磨損仿真結(jié)果如圖4所示，磨損率最大狀況出現(xiàn)在管道彎道處與接近分叉的直管處。

2 堆焊方案

根據(jù)以上耐磨彎管的磨損模擬仿真分析結(jié)果，對(duì)某電廠的耐磨管件預(yù)測(cè)的嚴(yán)重磨損部位加焊堆焊襯板予以補(bǔ)強(qiáng)。堆焊襯板母材材質(zhì)為Q235B，根據(jù)《DL/T 680-2015電力行業(yè)耐磨管道技術(shù)條件》推薦的堆焊材料選取DNM-IV-G，堆焊層的熔敷金屬化學(xué)成分如表1所示。焊絲直徑為φ2.4 mm，采用埋弧焊進(jìn)行堆焊，參照NB/T 47014-2011進(jìn)行堆焊工藝評(píng)定。焊接工藝參數(shù)見表2，堆焊層硬度為HRC55，厚度約10 mm。

加焊耐磨襯板的管件在該電廠已安全運(yùn)行超過12 000 h，而未改進(jìn)的耐磨管件運(yùn)行5 000～6 000 h后失效。

3 結(jié)論

（1）對(duì)4種型式的耐磨管件進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，預(yù)測(cè)了最大磨損位置，為實(shí)際工程耐磨彎管的修復(fù)及預(yù)防提供了借鑒。

（2）對(duì)某電廠的耐磨管件預(yù)測(cè)的嚴(yán)重磨損部位加焊堆焊襯板予以補(bǔ)強(qiáng)，大大延長了使用壽命。

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