Ảnh hưởng của kích thước ống thép đến sự ăn mòn hạt rắn của khuỷu thép cacbon trong dòng chảy lỏng-rắn: Phân tích thử nghiệm và CFD

Giới thiệu

Trong nhiều ngành công nghiệp, như dầu khí, xử lý hóa học, và khai thác mỏ, dòng chất lỏng-rắn phổ biến trong các hệ thống đường ống. Những dòng chảy này thường mang theo các hạt rắn có thể gây xói mòn ở các bộ phận quan trọng như khuỷu thép cacbon. Xói mòn là một mối quan tâm đáng kể vì nó có thể dẫn đến mất mát vật chất, giảm tính toàn vẹn cấu trúc, và sự cố cuối cùng của hệ thống đường ống. Kích thước của ống thép đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ xói mòn, vì nó ảnh hưởng đến động lực dòng chảy, quỹ đạo của hạt, và góc va chạm.

Bài viết này tìm hiểu ảnh hưởng của kích thước ống thép đến sự ăn mòn hạt rắn của các khuỷu thép cacbon trong dòng chảy lỏng-rắn, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và động lực học chất lỏng tính toán (CFD) Phân tích. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách đường kính ống ảnh hưởng đến mô hình xói mòn, tỷ giá, và các chiến lược giảm thiểu, cung cấp hướng dẫn có giá trị để thiết kế hệ thống đường ống bền hơn.

Tầm quan trọng của việc nghiên cứu sự ăn mòn hạt rắn ở khuỷu thép cacbon

1. Vai trò quan trọng của khuỷu tay trong hệ thống đường ống

Khuỷu tay bằng thép carbon rất cần thiết để thay đổi hướng dòng chảy chất lỏng. Tuy nhiên, hình dạng cong của chúng khiến chúng rất dễ bị xói mòn, đặc biệt là trong dòng chảy lỏng-rắn nơi các hạt va chạm vào thành khuỷu.

2. Tác động của kích thước ống

Kích thước ống ảnh hưởng trực tiếp:

• Vận tốc dòng chảy: Các ống lớn hơn thường có vận tốc thấp hơn cho cùng một tốc độ dòng chảy, giảm xói mòn.
• Quỹ đạo hạt: Ống nhỏ hơn giữ các hạt, tăng khả năng va chạm mạnh với thành khuỷu tay.
• mô hình xói mòn: Kích thước của đường ống ảnh hưởng đến sự phân bố xói mòn trong khuỷu tay.

3. An toàn và bảo trì

Hiểu được mối quan hệ giữa kích thước đường ống và sự xói mòn là rất quan trọng đối với:

• Ngăn chặn sự cố trong cơ sở hạ tầng quan trọng.
• Giảm chi phí bảo trì và thời gian ngừng hoạt động.
• Kéo dài tuổi thọ của hệ thống đường ống.

Phân tích thực nghiệm xói mòn hạt rắn

1. Thiết lập thử nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc thử nghiệm các khuỷu thép carbon có kích thước ống khác nhau trong điều kiện dòng chảy chất lỏng-rắn được kiểm soát.. Các thành phần chính của thiết lập bao gồm:

• Mẫu thử nghiệm:
  • Khuỷu tay bằng thép carbon với đường kính khác nhau (ví dụ., 2 inch, 4 inch, Và 6 inch).
  • Đặc tính vật liệu và độ hoàn thiện bề mặt được giữ nhất quán trên các mẫu vật.
• Vòng lặp dòng chảy:
  • Một hệ thống vòng kín tuần hoàn hỗn hợp chất lỏng-rắn qua các mẫu thử.
  • Pha lỏng thường là nước, trong khi pha rắn bao gồm các hạt mài mòn như cát hoặc silic.
• thiết bị đo đạc:
  • Đo xói mòn: Giảm cân hoặc giảm độ dày được đo bằng cân chính xác hoặc máy đo độ dày siêu âm.
  • Giám sát dòng chảy: Tốc độ dòng chảy, vận tốc, và nồng độ hạt được theo dõi bằng lưu lượng kế và máy đếm hạt.

2. Thông số kiểm tra

• Kích thước ống: Nhiều đường kính ống được kiểm tra để đánh giá ảnh hưởng của kích thước đến tốc độ xói mòn.
• Điều kiện dòng chảy:
  • Vận tốc chất lỏng: 2–5 m/s.
  • Nồng độ hạt: 1–5% theo thể tích.
  • Kích thước hạt: 100–500 micron.
• Khoảng thời gian: Các thử nghiệm được tiến hành trong vài giờ để mô phỏng hiện tượng xói mòn lâu dài.

3. Những quan sát chính

• Tỷ lệ xói mòn:
  • Kích thước ống nhỏ hơn thể hiện tốc độ xói mòn cao hơn do va chạm thành hạt tăng lên.
  • Ống lớn hơn cho thấy xói mòn giảm, vì các hạt có nhiều không gian hơn để phân tán và mất năng lượng trước khi va chạm vào tường.
• mô hình xói mòn:
  • Trong các ống nhỏ hơn, xói mòn tập trung ở độ cong bên ngoài của khuỷu tay.
  • Trong các đường ống lớn hơn, xói mòn phân bố đều hơn nhưng ít nghiêm trọng hơn.
• Góc tác động của hạt:
  • Ống nhỏ hơn dẫn đến góc va chạm sắc nét hơn, tăng cường loại bỏ vật liệu.
  • Ống lớn hơn dẫn đến góc va chạm nông hơn, giảm mức độ nghiêm trọng xói mòn.

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) Phân tích

1. Mô hình hóa CFD của dòng chất lỏng-rắn

Phân tích CFD được sử dụng để mô phỏng động lực dòng chảy và hành vi của hạt trong các khuỷu thép carbon ở các kích cỡ ống khác nhau. Các mô phỏng cung cấp những hiểu biết chi tiết về các cơ chế xói mòn khó quan sát bằng thực nghiệm.

Các bước chính trong mô hình CFD:

• Sáng tạo hình học:
  • Các khuỷu ống có đường kính khác nhau được mô hình hóa bằng phần mềm CAD.
  • Độ cong khuỷu và chiều dài ống được giữ không đổi trên các mô hình.
• Tạo lưới:
  • Một lưới mịn được tạo ra gần các thành khuỷu để ghi lại dòng chảy chi tiết và tương tác giữa các hạt.
  • Các lưới thô hơn được sử dụng ở các khu vực cách xa các bức tường để giảm chi phí tính toán.
• Điều kiện biên:
  • Cửa vào: Tốc độ dòng chảy xác định và nồng độ hạt.
  • Chỗ thoát: Tình trạng đầu ra áp suất.
  • Tường: Điều kiện không trượt đối với pha lỏng và điều kiện bật lại đối với các hạt.
• Mô hình dòng chảy nhiều pha:
  • Phương pháp Euler-Lagrangian được sử dụng để mô hình hóa dòng chất lỏng-rắn.
  • Pha lỏng được coi là môi trường liên tục, trong khi các hạt được theo dõi riêng lẻ.
• Dự đoán xói mòn:
  • Tốc độ xói mòn được tính toán bằng mô hình thực nghiệm, chẳng hạn như mô hình Finnie hoặc mô hình Oka, liên quan đến tốc độ va chạm của hạt, góc, và tính chất vật liệu chống xói mòn.

2. Kết quả CFD

Động lực dòng chảy:

• Các ống nhỏ hơn thể hiện cường độ nhiễu loạn cao hơn, dẫn đến quỹ đạo hạt hỗn loạn hơn.
• Ống lớn hơn có mô hình dòng chảy mượt mà hơn, với các hạt đi theo những đường dẫn được sắp xếp hợp lý.

Hành vi hạt:

• Trong các ống nhỏ hơn, các hạt có nhiều khả năng va chạm với các thành khuỷu ở vận tốc cao.
• Trong các đường ống lớn hơn, các hạt mất năng lượng do va chạm với pha lỏng và các hạt khác trước khi chạm tới thành.

Phân bố xói mòn:

• Các ống nhỏ hơn cho thấy sự xói mòn cục bộ ở độ cong bên ngoài của khuỷu tay.
• Các đường ống lớn hơn thể hiện sự xói mòn đồng đều hơn nhưng ít nghiêm trọng hơn.

Ảnh hưởng của kích thước ống đến tốc độ xói mòn:

• 2-ống inch: Tốc độ xói mòn cao nhất do dòng chảy hạn chế và tốc độ va chạm của hạt cao.
• 4-ống inch: Tốc độ xói mòn vừa phải với mô hình xói mòn phân tán hơn.
• 6-ống inch: Tốc độ xói mòn thấp nhất do giảm tương tác giữa hạt và thành.

So sánh kết quả thử nghiệm và CFD

Ý nghĩa đối với thiết kế và bảo trì

1. Lựa chọn kích thước ống

• Kích thước ống lớn hơn được ưu tiên để giảm xói mòn trong dòng chất lỏng-rắn.
• Đối với các ứng dụng yêu cầu đường ống nhỏ hơn, cần thực hiện thêm các chiến lược giảm thiểu xói mòn.

2. Chiến lược giảm thiểu xói mòn

• Lựa chọn vật liệu:
  • Sử dụng vật liệu chống xói mòn, chẳng hạn như thép không gỉ hoặc lớp phủ như cacbua vonfram.
• Bộ điều chỉnh dòng chảy:
  • Lắp đặt bộ làm thẳng dòng chảy hoặc bộ khuếch tán để giảm nhiễu loạn và tốc độ va chạm của hạt.
• Lớp lót bảo vệ:
  • Áp dụng các lớp lót hoặc tấm ốp hy sinh cho các bức tường khuỷu tay.
• Điều chỉnh hoạt động:
  • Giảm tốc độ dòng chảy hoặc nồng độ hạt nếu có thể.

3. Giám sát tình trạng

• Sử dụng máy đo độ dày siêu âm hoặc đầu dò xói mòn để theo dõi hao hụt vật liệu theo thời gian.
• Thực hiện bảo trì dự đoán dựa trên dữ liệu tốc độ xói mòn.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

• Mô hình CFD nâng cao:
  • Kết hợp các mô hình phân mảnh hạt và nhiễu loạn pha lỏng để dự đoán chính xác hơn.
• Giám sát thời gian thực:
  • • Phát triển cảm biến có khả năng phát hiện xói mòn theo thời gian thực.
• Vật liệu lai:
  • Khám phá vật liệu composite có khả năng chống xói mòn nâng cao.
• Nghiên cứu mở rộng quy mô:
  • Điều tra hành vi xói mòn trong hệ thống đường ống công nghiệp quy mô đầy đủ.

Phần kết luận

Ảnh hưởng của kích thước ống thép đến sự ăn mòn hạt rắn của các khuỷu thép cacbon trong dòng chảy lỏng-rắn là yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi thiết kế và bảo trì hệ thống đường ống. Các nghiên cứu thực nghiệm và phân tích CFD chứng minh rằng các ống nhỏ hơn có tốc độ xói mòn cao hơn do va chạm với thành hạt tăng lên và góc va chạm sắc nét hơn. Ống lớn hơn, trong khi ít bị xói mòn, có thể yêu cầu cân nhắc thiết kế bổ sung để tối ưu hóa hiệu quả dòng chảy.

bài viết liên quan

Sự khác biệt giữa ống thép đen và ống thép mạ kẽm?

Ống thép đen và ống thép mạ kẽm đều là những loại ống thép được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, và sự khác biệt chính của chúng nằm ở lớp phủ và khả năng chống gỉ và ăn mòn.

Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống phủ FBE hai lớp so với lớp phủ một lớp là gì?

Một khó khăn, lớp phủ trên cùng có độ bền cơ học cao cho tất cả các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn đường ống epoxy liên kết nhiệt hạch. Nó được áp dụng cho lớp phủ nền để tạo thành một lớp bên ngoài cứng cáp có khả năng chống lại các vết khoét, sự va chạm, mài mòn và thâm nhập. thép abter được thiết kế đặc biệt để bảo vệ lớp phủ ăn mòn chính khỏi bị hư hại trong các ứng dụng khoan định hướng đường ống, chán, vượt sông và lắp đặt ở địa hình gồ ghề.

bảng so sánh tiêu chuẩn ống thép – ANH TA | ASTM | TỪ | ống thép GB

Bảng so sánh tiêu chuẩn ống thép DIN Nhật Bản GB Nhật Bản JIS American ASTM Đức hoàn toàn mới

Kết nối ống thép không gỉ với phụ kiện ống thép carbon

Trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng, thường xuyên cần phải nối các loại kim loại khác nhau. Các kết nối này có thể là giữa thép không gỉ và thép cacbon, hai trong số những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống đường ống. Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn quy trình kết nối ống thép không gỉ với phụ kiện ống thép carbon, những thách thức liên quan, và cách vượt qua chúng.

Kích thước & Trọng lượng của ống thép hàn và liền mạch ASME B 36.10 / B 36.19

Dựa trên những thông tin được cung cấp, ASME B 36.10 và B 36.19 tiêu chuẩn xác định kích thước và trọng lượng của ống thép hàn và liền mạch. Các tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn cho việc sản xuất và lắp đặt ống thép trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm cả dầu khí, hóa dầu, và phát điện. ASME B 36.10 quy định kích thước và trọng lượng của ống thép rèn hàn và liền mạch. Nó bao gồm các đường ống từ NPS 1/8 (DN 6) thông qua NPS 80 (DN 2000) và bao gồm các độ dày và lịch trình tường khác nhau. Kích thước bao gồm đường kính ngoài, độ dày của tường, và trọng lượng trên một đơn vị chiều dài.

Sự khác biệt giữa ống thép cacbon và ống thép đen

Ống thép carbon và ống thép đen thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng có một số khác biệt chính giữa hai. Thành phần: Ống thép carbon được tạo thành từ carbon là nguyên tố hợp kim chính, cùng với các nguyên tố khác như mangan, silic, và đôi khi đồng. Thành phần này mang lại cho ống thép carbon sức mạnh và độ bền. Mặt khác, Ống thép đen là loại ống thép carbon chưa trải qua quá trình xử lý hoặc phủ bề mặt bổ sung nào. Hoàn thiện bề mặt: Sự khác biệt rõ ràng nhất giữa ống thép cacbon và ống thép đen là bề mặt hoàn thiện.. Ống thép carbon có màu tối, lớp phủ oxit sắt gọi là quy mô nhà máy, hình thành trong quá trình sản xuất. Quy mô nhà máy này mang lại cho ống thép cacbon vẻ ngoài màu đen. Ngược lại, ống thép đen có một đồng bằng, bề mặt không tráng phủ. Chống ăn mòn: Ống thép carbon dễ bị ăn mòn do hàm lượng sắt. Tuy nhiên, lớp phủ cặn nhà máy trên ống thép carbon cung cấp một số mức độ bảo vệ chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường trong nhà hoặc khô ráo. Mặt khác, ống thép đen dễ bị ăn mòn hơn vì nó không có lớp phủ bảo vệ. Vì thế, ống thép đen không được khuyến khích sử dụng ở những khu vực tiếp xúc với độ ẩm hoặc các yếu tố ăn mòn.