Математическая модель процесса эрозионного износа элементов трубопровода систем пневматической транспортировки сыпучих материалов

Эксплуатация систем пневматической транспортировки сыпучих материалов сопровождается интенсивным эрозионным изнашиванием стенок трубопровода, наиболее выраженным на поворотных участках, что во многом определяет ресурс оборудования. Распространенные методы расчета на основе совместного моделирования вычислительной гидродинамики и метода дискретных элементов (CFD–DEM) требуют значительных вычислительных затрат и не позволяют проводить параметрические исследования для протяженных трубопроводов с многочисленными поворотами. Предложена одномерная математическая модель процесса эрозионного износа поворотных, прямых горизонтальных и вертикальных элементов трубопровода. Удельный износ представлен как сумма составляющих, обусловленных ударным и фрикционным механизмами. Ударная составляющая описана обобщенным эмпирическим соотношением Ока, а фрикционная — на основе закона износа при скольжении слоя дисперсной фазы по стенке трубопровода. Модель проверена сопоставлением с экспериментальными данными при калибровке по одной опорной точке для каждого набора. Медианное относительное расхождение расчетных и экспериментальных данных составило 4,6…9,9 % по скорости течения газа в разреженном режиме, 5…21 % по массовой концентрации и 19 % в переходном режиме. Отмечено, что прямые участки и режим плотной фазы в чистом виде требуют дополнительной проверки.
EDN: XZPSRK, https://elibrary/xzpsrk

Литература

[1] Демихов К.Е., Очков А.А., Скорняков В.М. Перспективы развития систем пневматической транспортировки сыпучих материалов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2026, № 2, c. 85–101. EDN: MZKPOK

[2] Verma R., Agarwal V.K., Pandey R.K. et al. Erosive wear reduction for safe and reliable pneumatic conveying systems: review and future directions. Life Cycle Reliability and Safety Engineering, 2018, vol. 7, no. 3 pp. 193–214, doi: https://doi.org/10.1007/s41872-018-0055-7

[3] Kuang S., Zhou M., Yu A. CFD-DEM modelling and simulation of pneumatic conveying: a review. Powder Technol., 2020, vol. 365, pp. 186–207, doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.02.011

[4] Parsi M., Najmi K., Najafifard F. et al. A comprehensive review of solid particle erosion modeling for oil and gas wells and pipelines applications. J. Nat. Gas Sci. Eng., 2014, vol. 21, pp. 850–873, doi: https://doi.org/10.1016/j.jngse.2014.10.001

[5] Klinzing G.E., Marcus R.D., Rizk F. et al. Pneumatic conveying of solids. Springer, 1997. 599 p.

[6] Mills D. Pneumatic conveying design guide. Butterworth-Heinemann, 2016. 806 p.

[7] Oka Y.I., Okamura K., Yoshida T. Practical estimation of erosion damage caused by solid particle impact. Part 1: Effects of impact parameters on a predictive equation. Wear, 2005, vol. 259, no. 1–6, pp. 95–101, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.01.039

[8] Hutchings I.M. Tribology. Friction and wear of engineering materials. Edward Arnold, 1992. 273 p.

[9] Oka Y.I., Yoshida T. Practical estimation of erosion damage caused by solid particle impact. Part 2: Mechanical properties of materials directly associated with erosion damage. Wear, 2005, vol. 259, no. 1–6, pp. 102–109, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.01.040

[10] Mason J.S., Smith B.V. The erosion of bends by pneumatically conveyed suspensions of abrasive particles. Powder Technol., 1972, vol. 6, no. 6, pp. 323–335, doi: https://doi.org/10.1016/0032-5910(72)83030-4

[11] Macchini R., Bradley M.S.A., Deng T. Influence of particle size, density, particle concentration on bend erosive wear in pneumatic conveyors. Wear, 2013, vol. 303, no. 1–2, pp. 21–29, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.02.014

[12] Haaland S.E. Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent pipe flow. J. Fluids Eng., 1983, vol. 105, no. 1, pp. 89–90, doi: https://doi.org/10.1115/1.3240948

[13] Friedlander S.K., Johnstone H.F. Deposition of suspended particles from turbulent gas streams. Ind. Eng. Chem., 1957, vol. 49, no. 7, pp. 1151–1156, doi: https://doi.org/10.1021/ie50571a039

[14] Liu B.Y.H., Agarwal J.K. Experimental observation of aerosol deposition in turbulent flow. J. Aerosol Sci., 1974, vol. 5, no. 2, pp. 145–155, doi: https://doi.org/10.1016/0021-8502(74)90046-9

[15] Cheng N.S. Simplified settling velocity formula for sediment particle. J. Hydraul. Eng., 1997, vol. 123, no. 2, pp. 149–152.

[16] Archard J.F. Contact and rubbing of flat surfaces. J. Appl. Phys., 1953, vol. 24, no. 8, pp. 981–988, doi: https://doi.org/10.1063/1.1721448

[17] Vieira R.E., Mansouri A., McLaury B.S. et al. Experimental and computational study of erosion in elbows due to sand particles in air flow. Powder Technol., 2016, vol. 288, pp. 339–353, doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.11.028

[18] Mills D., Mason J.S. Particle size effects in bend erosion. Wear, 1977, vol. 44, no. 2, pp. 311–328, doi: https://doi.org/10.1016/0043-1648(77)90147-8

[19] Deng T., Chaudhry A.R., Patel M. et al. Effect of particle concentration on erosion rate of mild steel bends in a pneumatic conveyor. Wear, 2005, vol. 258, no. 1–4, pp. 480–487, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.08.001

[20] Tong K.N. The erosion of pipe bends in pneumatic conveying systems. PhD thesis. London, Thames Polytechnic, School of Mechanical Engineering, 1981. 415 p.