管道作为天然气的主要输送方式,在天然气的开采和运输中都起着重要的作用。由于气井出砂等原因,气流携带一定量的固体颗粒,颗粒冲刷天然气集气管道弯头等局部构件,造成一定程度的冲蚀破坏。管道冲蚀不仅和运行参数、颗粒性质有关,也和管材性质有关,而目前对天然气管道冲蚀规律的研究大多采用通用的经验方程进行冲蚀预测。基于此,本文开展了天然气集气管道的冲蚀动力学行为研究并分析了冲蚀在集气管道弯头的分布规律。本文针对天然气集输管道常用的20#钢,建立了颗粒冲击靶材的动力学有限元模型并进行可靠性验证。模型中采用J-C塑性模型和失效准则来模拟材料的失效与破坏。通过该模型开展了颗粒冲蚀动力学行为研究,分析了微观层面上能量、应力和形貌的变化,得到了颗粒形状、粒径、冲击速度和冲击角度对20#钢冲蚀率的影响规律,并结合模拟结论建立了针对20#钢的冲蚀预测方程。研究发现颗粒在低攻角时对20#钢主要是微切削作用且45°冲击角时破坏作用较强。在有限元模拟的基础上,采用CFD建立了天然气集气管道弯头的冲蚀模型并验证了其有效性。模型中选择了 RNGκk-ε湍流方程来模拟流场,通过udf编制气体状态方程来考虑高压集气的影响,开启DPM模块来计算颗粒运行轨迹,采用SIMPLE算法进行压力速度耦合方程的求解。最后通过数值模拟得到了弯头角度、弯径比、集气压力、气体流速、颗粒密度对弯头冲蚀分布特征的影响规律。综上所述,本文结合有限元法和CFD研究了针对20#钢的天然气集气管道弯头冲蚀影响因素,改善了针对20#钢的集气管道弯头冲蚀预测能力,对控制弯头冲刷磨损与气田集输系统安全生产具有重要的工程意义。