许根富，王飞，赵哲明，李鹏轩，金浩哲
（1．杭州市特种设备检测研究院，浙江杭州310051；
2．浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）
摘要：以镇海REAC出口压力管道系统碳钢弯管为例，结合冲蚀失效机理，建立冲蚀失效流固耦合数理模型。利用数值模拟技术分析腐蚀产物保护膜与多相流动之间的交互作用，揭示弯管内壁剪切应力分布及保护膜主位移、应力、应变的分布规律，研究石化压力管道系统冲蚀失效过程；结合现场测厚数据验证有限元分析软件流固耦合数值模拟方法的可靠性；并进一步对比分析了流体流动特性、管件结构特性等特性参数对冲蚀的影响。为石化压力管道输送系统的冲蚀失效分析、结构优化设计、RBI和定期检验测厚定位、寿命预测、风险评估等安全保障研究提供理论依据和分析手段。
关键词：石化压力管道；冲蚀；流固耦合；影响因素
0 引言
随着石化压力管道传输的日益普及，运行工况的苛刻化，由压力管道失效引发的事故日趋增多，给企业生产、周边环境和公众安全带来了严重的影响。石化压力管道系统失效形式多样、失效机理复杂，其中冲蚀失效是最常见而又很难预防的破坏形式，具有明显的局部性、突发性和危险性。冲蚀失效是腐蚀与流动耦合作用的结果，即腐蚀产物保护膜在粘性多相流动所产生的剪切应力作用下发生变形、破损，继而影响到流场的分布，使剪切作用力进一步增加，同时裸露的金属再次发生腐蚀作用，如此往复，加速了母材流失。这个过程的实质是一个多相流与腐蚀产物保护膜流固耦合问题。
本文以流固耦合理论为基础，以镇海加氢裂化反应流出物空冷器（简称REAC）出口压力管道系统中的碳钢弯管为研究对象，开展冲蚀失效流固耦合数值模拟研究，并分析介质流动特性（流动速率）、管件结构特性（弯管直径、曲率半径）等参数对冲蚀的影响，并提出了相应的结构优化设计思路和措施。本文为实现石化压力管道系统冲蚀失效的定量预测，指导在役管道冲蚀失效的检测定点、结构优化提供了理论基础。
1 数学模型
依据石化压力管道系统冲蚀失效机理分析可知，多相流与腐蚀产物保护膜的耦合作用力学模型及方程可通过腐蚀产物保护膜上表面的平衡与协调关系引入。变形协调条件须满足腐蚀产物保护膜的实际变形条件。动力学协调条件须满足粘性多相流的流体动力学条件。根据变形协调条件和动力学协调条件建立耦合方程：
式中：妒。。，。为耦合界面上流体的形变场；C:Ppip。为耦合界面上保护膜的形变场；9。。，。为耦合界面上流体的应力场；cppip。为耦合界面上保护膜的应力场。
采用任意拉格朗日-欧拉( Arbitrary Lagrange - Eul-er，ALE)法进行流固耦合求解，即在流体区域采用欧拉单元，在保护膜区域采用拉格朗日单元，并在统一的ALE坐标系下进行求解，使得流体区域中的流固界面总是随保护膜的变形而改变。
依据ALE描述法的基本理论可推导出粘性多相流体的N-S方程：
粘性流动的运动方程的分量形式为：
其中：a。为第k相的体积分数；p。为第k相的质量密度；v．、v为流体的流动速度分量；vj为计算网格运动速度分量；，为体力向量；P为压力；)。为第k相的动力粘性系数；k为湍动能；占为湍流耗散率；G。为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。
模型的主要常量为：
腐蚀产物保护膜固体部分的运动学描述采用La-grange法。其控制方程参照弹性力学方法建立。
其中：K．为流体施加于保护膜上的动压力荷载分量；占。为Cauchy应变张量；A、p为保护膜的Lame常数；E为保护膜弹性模量；t，为泊松比。
2 数值方法
石化管道系统冲蚀失效涉及两个工程物理场一流体场和固体场。本文采用物理环境顺序耦合法进行分析，包括建立几何模型，划分网格，创建流体物理环境，创建结构物理环境及交互分析等过程，其数值计算流程如图1所示。
3 影响因素分析
3.1 实际失效案例仿真分析
以镇海加氢裂化反应流出物出口压力管道系统中的碳钢弯管失效为例，管径：<p114 mm×13.5 mm；曲率半径：1.5 DN；流速：5 m/sl。工况介质的物化特性参数见表1，方程式(8)中腐蚀产物保护膜的A、u按弹性力学方法等效计算，名义弹性模量为0. 12 GPa，名义泊松比为0. 49，厚度为0.1 mm（冲蚀模拟试验得到）。
弯管内壁剪切应力分布如图2所示，弯管出口侧面A区域剪切应力较大，其值为6. 044 Pa，与该区域对应的保护膜的主位移、应力、应变也较大，其中B处达到最大，最大拉应力为15. 397 Pa，最大弹性应变量为3.821 2×10-7，分别如图3、图4所示。
3.2现场测厚验证
为了核实冲蚀破坏流固耦合的数值模拟结果，验证数值模拟方法的可靠性、可行性，运用超声波测厚仪对镇海国产化REAC出口管道系统进行现场测厚分析。弯管出口侧面A区域中B处减薄量最大，高达5.9 mm，与仿真结果吻合。由此表明：腐蚀产物保护膜弹性应变量越大，冲蚀失效愈严重，弯管A区域是冲蚀失效的危险区域，该区域中B处冲蚀最为严重。
3.3 冲蚀失效影响因素分析
在实际失效案例特性参数基础上，分别改变流体流速、弯管管径、弯管曲率半径等特性参数，对比分析流体流动特性、弯管结构特性对石化压力管道系统冲蚀的影响。
3.3.1 介质流动特性影响
保持弯管管径、曲率半径和保护膜泊松比不变，分别计算流速为1、3、5、7和10 m/s时的管壁最大剪切应力、保护膜最大拉应力及保护膜最大弹性应变量。结果如图5所示：随着流速的增大，管壁最大剪切应力、保护膜最大拉应力及保护膜最大弹性应变量逐渐增大，但与流速不成线性关系。
3.3.2 弯管管径的影响
保持流体流速、弯管曲率半径和保护膜泊松比不变，改变弯管管径的大小，分别取管径为中219 mm×24 mm、@325 mm×34 mm、@406 mm×40 mm进行冲蚀失效流固耦合数值模拟，如图6所示。仿真结果表明：随着弯管管径的增大，管壁最大剪切应力、保护膜最大拉应力和保护膜最大弹性应变量逐渐减小。弯管管径为@114 mm×13.5 mm对应的保护膜最大弹性应变量是管径为<p406mm x40 mm的1.96倍，冲蚀失效明显比较严重。这与镇海REAC系统实际失效案例解剖研究结果一致，系统中最小管径的管束（中25 mm x3 mm）及出口第一个弯管（@114 mm×13.5 mm）最易发生冲蚀失效。
3.3.3 弯管曲率半径的影响
保持流体流速、弯管管径和保护膜泊松比不变，改变弯管曲率半径，分析弯管曲率半径对壁面剪切应力、保护膜拉应力、保护膜弹性应变量的影响。弯管曲率半径分别取1、5、10 DN，具体的数值模拟结果如图7所示。壁面最大剪切应力、保护膜最大拉应力以及保护膜最大弹性应变量随弯管曲率半径的增大逐渐减小。弯管曲率半径在1—1.5 DN之间时，随着曲率半径的增大，壁面最大剪切应力、保护膜最大拉应力和保护膜最大弹性应变量迅速减小；弯管曲率半径在1.5~ 10 DN之间时，壁面最大剪切应力、保护膜最大拉应力和保护膜最大弹性应变量随弯管曲率半径的增大缓慢减小。因此在条件允许的情况下，适当增大冲蚀严重管件的曲率半径可有效缓减管件的冲蚀失效。
3.4优化设计
通过冲蚀破坏的流固耦合机理和数值模拟研究可知，石化压力管道冲蚀失效存在一个临界状态，当运行工况优于临界状态时，可有效减少管道系统的冲蚀失效。
近年来，各石化企业相继对加氢裂化装置进行扩能改造，处理量逐步增加，导致管道系统内流体流速增大。由介质的流动特性影响分析可知，冲蚀失效随着流速的增加而增加。因此，根据数值模拟结果，在条件允许的情况下（不改变工艺条件），针对个别失效严重弯管进行结构优化改造，可降低冲蚀失效，有助于整个管道系统安全、长周期运行。例如镇海REAC出口系统中第一弯管（@114 mm×13.5 mm，1.5 DN）冲蚀失效最为严重，如果将该弯管的管径扩大为西219 mm×24 mm，曲率半径提高到5 DN，则壁面最大剪切应力、保护膜最大拉应力和保护膜最大弹性应变量将明显下降，能有效的减少冲蚀失效。具体计算结果如表2所示。
4结论
1)建立了多相流冲蚀失效流固耦合数理模型，实现了石化压力管道的冲蚀失效预测，为定位监测、RBI、寿命预测、风险评估等安全保障研究提供了理论依据。
2)通过改变多相流流动特性、管件结构特性等特性参数可减缓石化压力管道冲蚀失效程度，随着流体流速的减小和弯管管径、曲率半径的增加，壁面最大剪切应力、保护膜最大保护膜拉应力和保护膜最大弹性应变量也随之减小，冲蚀失效逐渐减缓。
3) API932 -B规范中采用统一的限制流速来控制整个REAC系统的冲蚀失效显然是不合理的，还需考虑系统中典型管件管径、曲率半径等特性因素的影响，进一步精确其流速的限制范围，避免事故的频繁发生。
4)对于在役石化压力管道系统，在条件允许的情况下改变个别冲蚀失效严重管件的结构特性，进行结构优化改造，降低管件的冲蚀失效，有助于整个石化压力管道系统安全、长周期运行。
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