随着科技和工业的发展,作为清洁能源的天然气在全球能源链中的地位逐年提高。管道作为天然气的主要输送方式,在石油天然气的开采和运输中都起着重要的作用。由于天然气管道内的气体压力较大,一旦管道在天然气输送过程中发生破坏,可能引发严重的灾难性事故,威胁到人们的生命和财产安全。近年来,全球范围内由于天然气管道泄漏造成的事故屡见不鲜,输气管道的安全运行也逐渐受到人们的重视。研究表明,输气管道的减薄及穿孔破坏主要是由管道内固体颗粒冲蚀磨损造成的,且含固体颗粒冲蚀作用的管道破坏速度远高于纯腐蚀作用下管道的破坏速度。因此,研究固体颗粒属性对冲蚀磨损的影响规律,以及流场作用对天然气管道冲蚀磨损的影响规律,改进已有的冲蚀磨损计算方法,提出在役天然气管道冲蚀磨损速率预测计算模型,对天然气管道的寿命预测和管道的安全运行、防护有重大意义。论文主要研究工作如下:(1)完成不同运行条件下固体颗粒的冲蚀磨损试验,研究固体颗粒属性(尺寸、形状和流量)对冲蚀磨损速率的影响规律。利用PIV(ParticleImageVelocimetry)和PTV(Particle Tracking Velocimetry)两种方法测量颗粒速度,并分析了这两种常用速度计算方法的差异性。根据试验结果,分析了相同气相参数条件下,颗粒流量对颗粒速度的影响,提出在固体颗粒冲蚀磨损试验中控制颗粒流量的重要性。总结了不同颗粒属性对试件冲蚀磨损速率的影响规律,并分别提出关于颗粒直径和冲蚀磨损速率以及颗粒流量和冲蚀磨损速率间的关系函数。(2)利用固体颗粒冲蚀磨损试验台,完成4种典型输气管线钢材料(X70、X80、X65和20G)的固体颗粒冲蚀磨损实验。根据冲蚀磨损实验结果,对比微粒喷浆冲蚀(MSE)标准冲蚀测试方法的测试结果,分析4种典型管材的耐固体颗粒冲蚀磨损性能。根据不同冲击角度下试件的冲蚀磨损实验结果,进行管材壁面碰撞规律研究。基于流体动力学(CFD)仿真分析方法,进行固体颗粒冲蚀磨损实验的仿真分析,为复杂流场工况条件下典型管件的模型建立提供依据。(3)搭建典型管件弯头的简化冲蚀磨损实验台,根据实验结果进行弯头的冲蚀磨损流体动力学仿真分析。在弯头冲蚀磨损仿真模型基础上,加入典型管材壁面碰撞规律研究结果,建立工况中弯头冲蚀磨损流体动力学仿真计算模型。利用仿真分析方法,研究多属性耦合作用对冲蚀磨损速率的影响规律。根据研究结果,分别提出颗粒速度和直径、颗粒速度和流量、颗粒速度和形状对弯头冲蚀磨损速率的耦合影响关系式,为计算两种属性同时变化时固体颗粒冲蚀磨损速率提供依据。(4)研究流场作用对工况条件下弯头冲蚀磨损速率的影响。依据简化冲蚀磨损实验及工况中弯头的冲蚀磨损仿真模型,分别研究了低压、高压条件下,气-固两相速度存在差异时,弯头冲蚀磨损速率的变化规律。提出在高压条件下,计算颗粒冲蚀磨损速率时气相速度的重要性。对比现有简化冲蚀磨损速率计算方法,加入气-固两相速度差异对冲蚀磨损速率计算结果的影响,提出简化冲蚀磨损速率计算方法。(5)研究流场作用对典型管件三通的最大冲蚀磨损位置的影响。依据新疆输气管道事故,进行三通内流场分析及对应流体动力学建模,研究流场作用对颗粒运动状态的影响规律。根据事故报告及三通仿真分析结果,提出三通最大冲蚀磨损位置与三通两个入口速度间的关系函数。为实际工程中,预测三通可能发生最大冲蚀磨损的位置提供理论指导。