油气管道冲蚀模型及影响因素研究进展

石佳瑞，王 森，韩 霄，朱丽云

（1.中国石油大学 （华东） 新能源学院，山东 青岛 266580；
2.青岛市特种设备检验研究院，山东 青岛 266101）

近些年来，我国经济迅速发展，国内能源消费需求越来越大，石油和天然气成为人们日常生活中不可缺少的重要能源[1]。在石油和天然气的开采和运输过程中，管道凭借运输量大、铺设周期短、构造简单、操作成本低、便于管理、节能高效等优势，成为大量油气连续输送的首选方式[2-3]。为了充分利用管道运输的优势，人们通过技术手段不断延长油气输送管道的长度和使用时间。但随着油气输送管道的不断建设，还是暴露出了很多安全方面的问题，其中最多的是管道磨损引发的泄漏。所以，对油气输送管道磨损情况的研究成为了大量学者的工作重点。

冲蚀磨损是局部磨损中危害较大且较为普遍的一种，广泛存在于机械、冶金、能源等领域[4]。其被定义为材料表面由于受到固体颗粒的冲击作用从而出现破坏或损伤的一种磨损现象[5]，还可以表述为材料表面与携带有固体颗粒的流体相接触时产生相对运动对材料表面造成的损耗。通常将冲蚀磨损根据流体及其所携带粒子的排列划分为气固冲蚀、液固冲蚀、液滴冲蚀及气蚀现象4种类型[6-7]。在油气输送管道中经常会有一些不可被清除掉的固体颗粒（如砂石、金属碎屑等）进入管道与原流体形成两相流，这些固体颗粒将会以较高的速度对管壁产生冲击，在管道长期服役条件下将会对管壁造成严重的冲蚀磨损，进而使管道产生穿孔，最终导致管道的失效泄漏，造成能源的浪费，还有可能出现安全事故[8-9]。针对油气输送管道冲蚀磨损情况的研究对于保证整个管网的正常运行和避免由于管道泄漏造成的一系列损失具有非常重要的意义[10]，文中对现有的多种冲蚀磨损模型进行整理总结，并对影响冲蚀磨损的一些主要因素进行介绍。

1.1 微切削理论模型

1958年Finnie I[11]提出了针对刚性颗粒冲蚀塑性金属材料的微切削理论模型。该理论认为冲蚀磨损是具有一定的冲击速度和冲击角度的颗粒在划过材料表面时对其产生了切除作用而产生的，指出颗粒的运动状态和材料的属性会对冲蚀磨损量产生较大影响，材料表面的冲蚀磨损量与颗粒的质量成正比，与受冲击材料的屈服强度成反比，还与冲击角度存在一定的函数关系[12]。但该理论在应对冲击角度较大情况时会产生较大偏差。1972年Finnie I较为完整地介绍了影响韧性材料冲蚀的一些参数并对该模型进行了修正[5]。

1.2 变形磨损理论模型

1963 年 Bitter J G A[13]参考加工硬化的思想提出了变形磨损理论。他将总的冲蚀磨损划分为变形磨损和切削磨损两个部分[14]，认为颗粒对材料表面的连续冲击会对其产生加工硬化作用，当颗粒的冲击应力小于材料的屈服强度时材料表面只会产生弹性变形，反之在材料表面还会有塑性变形产生，最终会造成冲蚀磨损[15]。但是该变形磨损理论模型相对于其他模型来说其适用范围较窄。

1.3 二次冲蚀理论模型

1973年 Tilly G P[16]重点研究了颗粒在冲击材料表面后因破碎而产生的小颗粒对材料表面的冲击作用。他认为颗粒在对材料表面产生冲击而使材料表面产生一系列损伤后也会使颗粒自身产生一定程度的破碎，颗粒的破碎程度与颗粒粒径和颗粒冲击速度等因素有关，破碎后产生的小颗粒会对材料表面造成二次冲蚀，总的冲蚀量为两个阶段冲蚀量的和[17]。他还认为会存在一个颗粒冲击速度的阈值，当冲击速度小于该阈值时不会产生冲蚀。该理论在处理脆性粒子以较大的冲击角度冲蚀塑性材料的情况时表现较好。

1.4 弹塑性压痕破裂理论模型

1978年 A G Evans等[18]通过对脆性材料受颗粒冲蚀时的磨损情况进行的研究提出了弹塑性压痕破裂理论。该理论认为颗粒在冲击材料表面后会使其表面产生一个弹性变形区，该弹性变形区域会在后续颗粒的不断冲击下产生沿弹性变形区向下扩展的裂纹，最后产生冲蚀磨损。他们提出弹性变形区的形成受颗粒粒径、颗粒密度和材料表面韧性等因素的影响较大，还认为可以根据径向裂纹与目标材料断裂韧性之间的关系来表征冲蚀量[5]。

1.5 绝热剪切与变形局部化磨损理论模型

Hutchings I M[19]通过钢球冲击低碳钢试件实验研究了颗粒的冲击角度和旋转方向对冲蚀磨损的影响，在试件表面上发现了一个受冲击较严重的狭窄带状区域。该实验可以对材料表面所发生的冲蚀现象进行较好地模拟，实验还探究了冲蚀过程中材料应变情况与冲击速度和冲击角度的关系，认为当材料产生的应变率偏高时材料的升温较快，从而导致绝热剪切带的产生，最终提出了绝热剪切与变形局部化磨损理论[5]。

1.6 挤压-薄片剥落磨损理论模型

Levy Alan V[20]认为颗粒不同角度的冲击会对材料表面起到挤压锻造作用，基于此提出了挤压-薄片剥落磨损理论。该理论认为在颗粒的不断冲击下，材料表面会出现一些凹坑和高度变形的凸起薄片，这些薄片会在后续颗粒的不断冲击下从材料表面脱落，而次表层会因为所受到的挤压作用而产生加工硬化。该理论在处理塑性材料受冲蚀工况时的效果较好，但在处理高温条件下的冲蚀问题时还存在一些问题。

1.7 Oka模型

Y I Oka等[21]于 2005年建立了一种考虑了颗粒形状和粒径、颗粒冲击角度和冲击速度以及材料表面硬度等因素耦合的冲蚀速率经验模型。此模型认为，冲蚀磨损量与材料的硬度成正比，还与颗粒的冲击角度和冲击速度具有密切关系。各种实验表明该模型在应对各类复杂工况时都有较好的表现，但该模型对冲蚀速率的计算存在过度预测。

1.8 DNV模型

挪威船级社（DNV）[22]以不同的冲击速度和冲击角度对多种材料进行冲蚀模拟实验，并通过得到的实验结果和数值计算结果对经验系数进行了优化，最终提出了DNV模型，该模型认为冲蚀速率与颗粒的冲击速度之间为幂指数关系，与材料表面的硬度成正比，还与冲击角度具有密切关系。

1.9 E/CRC模型

美国Tusla大学冲蚀/腐蚀研究中心[23]以冲击角度和固体颗粒的形状作为变量进行实验研究，得出了用于模拟气固或液固两相流造成的冲蚀磨损的E/CRC模型。他们发现冲蚀速率与颗粒的形状系数及冲击速度成正比，并通过对大量实验数据的拟合得到了关于颗粒冲击角度的函数，使该模型对冲蚀速率进行预测的精度极大提高，但在处理含液量较高的工况时偏差较大[24]。

1.10 Neilson-Gilchrist模型

Neilson J H等[25]根据其实验结果提出了预测大冲击角度和小冲击角度两种情况的模型。此模型认为，冲击动能中垂直于管道壁面的部分会造成变形磨损，而平行于管道壁面的部分会造成切削磨损，基于此在模型中加入了变形系数和切削系数，认为总的冲蚀量为变形磨损量和切削磨损量的和[26-27]。

1.11 Ahiert模型

Ahiert K R[28]以不同颗粒冲击角度和材料表面干湿状态等因素为变量进行了一系列的冲蚀磨损实验，提出了一种用于研究AISI1018钢材表面处于不同干湿状态时的冲蚀磨损规律的半经验模型Ahiert模型[5]。在该模型中，冲蚀速率与颗粒的形状系数成正比，还与冲击角度存在一定的函数关系。

1.12 冲蚀磨损方程

上述各类油气管道冲蚀磨损模型的冲蚀磨损方程及其所考虑的主要影响参数见表1。表1中各冲蚀磨损方程所含物理量符号及其含义详见相关参考文献。

表1 各类冲蚀磨损模型的冲蚀磨损方程及其涉及的物理参数

2.1 颗粒属性

2.1.1 颗粒形状

众多研究结果表明，颗粒的形状会对冲蚀磨损过程产生非常大的影响，一般认为颗粒的形状越不规则，其所造成的冲蚀磨损越严重[29-30]。这种影响通过引入颗粒形状系数进行量化，形状系数越大，颗粒越规则。当颗粒为标准的球形时，其形状系数为1。有实验结果表明，在相同的工况下带尖角的颗粒对材料表面造成的冲蚀速率是圆形颗粒的 4 倍[31]。

2.1.2 颗粒粒径

一般认为在相同的实验条件下，粒径较大的颗粒会比粒径较小的颗粒产生更严重的冲蚀磨损。另一方面，在颗粒质量流量一定的情况下，主相流体所携带颗粒的数目会随着颗粒粒径的增大而减少，并且主相流体对颗粒的携带作用也会有所削弱，反而有可能减少颗粒对管壁的撞击次数，最终降低颗粒对管壁的冲蚀速率[32-33]。

闫宏伟等[34]和王博等[35]的研究都发现固体颗粒对弯管的冲蚀磨损存在一个临界直径，当颗粒粒径小于临界直径时，冲蚀速率会随着颗粒粒径的增大而增大，反之冲蚀速率的变化会比较平缓，并且不同的管道材料和冲蚀条件所对应的临界直径也不同。彭文山等[36]在进行液/固两相流体对管道冲蚀的数值模拟时发现，颗粒粒径很小条件下的弯管最大冲蚀速率有可能大于粒径较大条件下的弯管冲蚀速率。王洪钧[29]研究颗粒属性对管道中的双90°弯头的冲蚀磨损影响时发现，较大的颗粒粒径会使含双90°弯头管道的平均冲蚀速率增大，其中靠近入口的弯头的最大冲蚀速率会逐渐变大，而远离入口的弯头则会逐渐减小，最终两者都会趋于一个稳定值，这项研究也从侧面证实了颗粒临界直径的存在。

2.1.3 颗粒冲击角度

颗粒的冲击角度就是颗粒撞击材料表面时的入射角，基于这个角度概念可以将颗粒对材料表面的冲击作用分解为切削作用和冲击作用两个部分[37]。对于塑性材料，受切削作用的影响较为明显，因此冲击角度在15°～30°时产生的冲蚀磨损最严重。而对于脆性材料，受冲击作用的影响较为明显，所以其冲蚀磨损量会随着冲击角度的增大而增大，当冲击角度为90°时产生的冲蚀磨损最为严重[38-39]。

2.1.4 颗粒冲击速度

很多研究都表明颗粒的冲击速度与冲蚀速率之间存在较为明显的指数增长关系[36]，并且认为只要颗粒的冲击速度足够大都会使目标表面产生冲蚀磨损。将颗粒的冲击速度和颗粒的冲击角度研究结论结合起来可以得到进一步的推论，颗粒的冲击速度会直接对颗粒的动能产生影响，而颗粒的冲击角度会将颗粒的动能分解为垂直于材料表面的和平行于材料表面的两个部分。

2.1.5 颗粒材料

一般认为在颗粒粒径和颗粒形状都相差不大的情况下，具有较高密度和较大硬度的颗粒所造成的冲蚀磨损会更加严重。在颗粒的硬度方面，认为存在一个临界硬度，当颗粒的硬度超过该临界硬度后继续增加颗粒的硬度对冲蚀磨损的影响变化不大，并且此时颗粒产生的破碎会变少，还有可能削弱二次冲蚀产生的影响。在颗粒的密度方面，一般认为在相同颗粒粒径的条件下，密度较高的颗粒所具有的冲击动能更大，最终产生的冲蚀磨损更严重[5]。

2.1.6 颗粒旋转

颗粒的旋转会使颗粒的运动轨迹产生变化，进而影响颗粒对材料表面的撞击次数，最终对管壁的冲蚀磨损情况产生影响。Mohammad Zamani等[40]对气固两相湍流对弯管的冲蚀磨损情况进行了研究，发现颗粒旋转引起的颗粒反向运动也会影响管道冲蚀磨损的情况，并且颗粒的这种反向运动与材料表面产生的碰撞越多，颗粒对材料表面的冲蚀越严重。

2.2 流体属性

主相流体的属性会直接影响其中所夹带的颗粒的冲击速度和冲击角度等属性，从而对最终的冲蚀磨损情况产生影响，所以对流体的黏度、流体中颗粒的含量及流体的流动形式等因素进行研究具有非常重要的意义。

2.2.1 流体黏度

有研究表明，黏度较低的流体中的颗粒比较容易产生沉降，从而对管道壁面起到保护作用，因此管道壁面的冲蚀磨损量会随流体黏度的降低而减小，他们还发现流体黏度对冲蚀磨损情况的影响作用在很大程度上取决于流体的流速。当流体的流速较低时，冲蚀磨损量会随着流体黏度的变大而变大；
反之冲蚀磨损量会随着流体黏度的升高而减小[41]。

2.2.2 颗粒含量

一般认为材料表面的冲蚀速率会随着流体中颗粒含量的增大而增大，但并不是绝对的线性关系。当流体中颗粒的含量超过一定范围时，颗粒之间的碰撞会加剧，最终可能会削弱颗粒对材料表面的冲蚀作用。卓柯等[42]结合Oka模型并以 90°的气固两相流弯管为研究对象进行数值模拟，发现随着颗粒含量的增加，弯管处的最大冲蚀磨损量会先增加然后逐渐趋于一个稳定值，并且当颗粒的含量达到一定数值后冲蚀磨损的预测结果就与颗粒的含量无关了。

2.2.3 流动状态

管道中流体的流动状态有层流和湍流两种，流体不同的流动状态会对其所携带的颗粒的运动情况产生很大的影响，因此流体在不同的流动状态下对冲蚀磨损的影响也不相同[43]。一般认为颗粒的动能会随流体流速的增大而增大，而颗粒动能的增大会提高颗粒撞击壁面的频率，最终对管壁产生更为严重的冲蚀[44]，因此流体湍流流动时对管道材料表面造成的冲蚀磨损会比层流流动时严重。

2.3 目标材料属性

一般认为，目标材料的硬度越高其所具有的抵抗冲蚀的能力越强，但也有部分学者认为如果材料的延展性较好反而会使冲蚀速率降低。而材料的韧性会直接对材料的硬度和延展性产生影响，因此目标材料的韧性也是影响冲蚀速率的一个重要因素。O’Flynn[7]就曾提出冲蚀速率会随着目标材料的韧性与均匀伸长应变的乘积的增大而逐渐降低。也有一些学者提出冲蚀速率会随着目标材料表面粗糙度的增加而降低，同时会在冲蚀磨损的过程中产生缓冲效应[45]。

颗粒在冲击塑性材料和脆性材料时的机理也不相同。对于塑性材料，颗粒在撞击其表面后会使其产生局部的塑性变形，当该变形产生的应变大于材料的失效应变时，材料就会从工件表面脱落，即产生了冲蚀磨损[46]。对于脆性材料，颗粒在撞击其表面时会使其内部出现微裂纹不断长大而后脱落的循环过程，最终使材料产生冲蚀磨损。

2.4 管道参数

管道的参数或结构的变化会使管道内流场的分布和颗粒的流动轨迹发生变化，进而使颗粒对管道的冲蚀磨损情况产生影响。彭文山等[47]研究了管道结构参数影响液固两相流管道冲蚀磨损情况的规律，发现改变管径对冲蚀速率的影响最大、弯径比次之、弯管角度的影响最小，提出可以采取适当增大加管径、弯径比和降低弯曲角度等方法来减小冲蚀造成的影响，研究还发现冲蚀最严重区域会随着管道参数的改变而发生移动。李翔等[48]在对输气管线的流场和磨损情况进行模拟时发现，在相同的工况下，盲三通、三通和弯头的冲蚀磨损速率要高于直管。Kusmono等[49]对受冲蚀磨损而产生泄漏的地热生产设施进行了研究，提出可以通过降低流体流速、增大弯头直径来消除湍流，增加弯头（受影响区域）壁厚以及使用更硬、更耐腐蚀的材料来减少冲蚀磨损。Singh Jashanpreet等[50]在对泥浆输送管路中固体颗粒对弯头的冲蚀磨损情况进行模拟时发现，冲蚀磨损速率会随弯径比、管径、弯管曲率角和弯管半径角等因素的变化而变化，提出的最佳弯径比为1.5～1.6。

2.5 其他因素

颗粒间的碰撞会使颗粒的平均冲击速度和平均冲击角度发生变化，进而对冲蚀磨损情况造成影响。孙晓阳等[51]发现颗粒在受到惯性和二次流的作用后会在弯管的内拱一侧形成一个无颗粒区，而考虑颗粒间的碰撞对冲蚀磨损的影响会使该区域变小，还会使冲蚀痕迹发生显著变化，基于此提出一种考虑了颗粒间碰撞的冲蚀预测方法。S Laín等[52]将欧拉-拉格朗日模型与合适的湍流模型和双向耦合模型相结合来探究颗粒对90°弯管的冲蚀磨损的影响情况，他们发现颗粒之间的碰撞加剧会削弱颗粒对材料表面所造成的冲蚀磨损。

冲蚀磨损时的温度也会对整体的冲蚀磨损情况产生较大的影响，但是还没有针对温度对冲蚀磨损的影响的具体理论。对304不锈钢的冲蚀磨损影响研究发现，400℃时产生的冲蚀磨损量最小，而超过该临界温度后冲蚀磨损量会随温度的升高而上升[53]。还有研究结果表明，不同的温度有可能通过改变材料的性质对其冲蚀磨损情况产生影响。

时间也会对冲蚀磨损情况产生重要的影响。对于塑性材料，一般认为冲蚀磨损量会随时间的增加而稳步上升。对于脆性材料，认为材料内部存在一个微裂纹不断长大直至断裂的过程。

冲蚀磨损是由于单相或多相流动介质冲击材料表面时所造成的破坏现象，这种现象危害较大且较为普遍，对其机理和影响因素的研究具有非常重要的意义。文中在对冲蚀磨损现象的理论模型和影响冲蚀磨损情况的因素的总结中发现：

（1）在冲蚀磨损模型方面，还没有建立一种可以同时适用于多种工况或同时考虑多种影响因素相耦合的预测模型。现有的模型在应对一些较为复杂的工况时还存在很多的问题，应该在原有模型的基础上进行进一步的优化以提高其精度和适用范围。

（2）在研究影响冲蚀磨损的因素时，应该更加关注颗粒间的相互作用、压力载荷、小颗粒冲蚀和材料表面的特性等因素，而且这些因素之间还会相互影响，在建立模型时需根据实际工况合理权衡主次。

（3）在研究防冲蚀涂层时，既要考虑颗粒对材料的冲蚀磨损，也要考虑流体对防冲蚀涂层的腐蚀作用。

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