煤液化管道材料冲蚀磨损试验与数值研究

【摘要】：煤液化工艺多相流介质输运过程中引发管道系统冲蚀磨损失效的问题极为频繁，是制约长周期运行的核心问题。因管道系统占据煤液化工程的绝大部分并关联到其它设备，输送介质含固相浓度高，成分复杂，运行工况多变，难以预测磨损减薄位置，一旦失效穿孔，将会引发严重事故。因此，从多相流冲蚀磨损的影响因素和机理出发，采用试验和数值计算相结合的手段，建立一种科学的煤液化管道系统冲蚀磨损失效预测方法，是解决该类问题的关键所在，具有重大学术和工程应用价值。 本文自行研制了一种激波驱动的固粒冲蚀试验系统，主要开展气‐固两相流对煤液化管材的冲蚀磨损试验研究，明确材料的冲蚀磨损机理和壁面边界函数值。在此基础上，选取煤液化常压塔三通阀至减压塔进料角阀的管道为失效案例，结合其结构特征和介质物性，运用试验结果，数值预测管道内流场和壁面磨损率的分布规律，主要研究内容和结论包括： 第一、针对现有固粒冲蚀磨损试验装置的问题，运用激波原理设计搭建了一种固粒冲蚀磨损试验系统，可实现最大激波马赫数达2.3，颗粒速度可到200m/s以上，冲角范围为15~90°；通过对通用钢材试验研究证实，本试验系统可用于其它材料冲蚀磨损规律的研究。 第二、运用自行研制的冲蚀磨损试验系统，针对典型煤液化管材(ASTM-A335-P9)开展不同影响因素的试验研究，其破坏机理主要是低冲角的切削和高冲角的冲蚀脱层作用，分析试验结果获得用于数值计算此材料磨损率的壁面边界条件。 第三、对比分析国内外研究者建立的磨损模型，选取EM5为本文磨损率计算的模型。 第四、运用CFD技术，根据所选的冲蚀磨损模型，以及试验所得材料壁面边界条件，数值预测得到磨损严重区主要发生在弯管背部，综合分析混合相速度场和粒子冲击壁面的角度，建立了一种煤液化管道多相流冲蚀磨损预测方法。 本论文的创新在于：1）设计搭建了基于激波管原理的固体粒子冲蚀磨损试验系统；2）试验确定了一种典型煤液化管材(ASTM-A335-P9)的冲蚀磨损破坏规律；3）建立了一种适用于煤液化管道系统多相流冲蚀磨损的预测方法。