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管道弯头耐磨特性

更新时间  2021-07-20 17:51 阅读
研究了输送管道中气固两相流中微粒的直径、浓度和材料种类等因素不锈钢管道弯头磨损量以及磨损率的影响。实验系统采用负压结构,风速范围在A"+*E/F之间,采用不同直径 的刚玉和氧化锆微粉。对实验结果进行了模拟处理,并对上述变量、弯头曲率半径与直径比和直径等因素的影响规 律作了分析。结果表明,弯头材料本身的性能对磨损结果影响最大。四种材料耐磨性依次为不锈钢。磨损率和风速之间存在指数关系,指数幂在!’)")之间。不同尺寸、材料和硬度的磨粒将影响磨 损率与风速函数关系式的幂指数。另外,对于曲率半径/管直径比值固定的弯头而言,直径大的弯头磨损率低,这与 小直径弯头的表面积与体积比更大有关。

含尘气相流对输送管道的磨损是一个普遍存在 的问题,例如烟气透平、气力输送及各类风机等流体 机械都不同程度存在磨损安全隐患。据报道,风机 因磨损而导致的停机停产在冶金等行业中占风机故障的一半以上,严重影响着生产效益和安全。因 此相应的磨损机理、规律以及防护措施,尤其是具体 管道、具体工作条件下磨损量的计算以及管道寿命 的预测,一直是研究人员关心的课题。管道的磨损 主要发生在管道的异型构件处,例如弯管和三通。 研究表明,影响弯管磨损的主要因素包括输送速度、 所输送物料硬度及形状尺寸、磨粒撞击角度、弯管的材料和几何尺寸等。然而,由于各种因素互相 影响制约,其规律十分复杂,甚至个别影响因素的影 响规律目前还没有定论。本研究采用空气负压系 统,选取典型金属材料弯管作为研究对象,研究了较 大变化范围内空气输送速率(#!$%&/’)、磨料种 类、磨料浓度、磨料尺寸和弯管尺寸等因素对弯管磨 蚀行为的影响。

明显的影响。

传统气力输送理论认为物料在弯头内是贴着外 侧内壁流动,曲率半径越大就越接近于直管输送,相 应的磨损和压力损失也应是最小。同时还认为弯头 磨损是沿外侧内壁均匀分布,这也是数十年来普遍 推荐选用大曲率半径弯头,即曲率半径! 与管内径 " 之比为*"L*的主要原因。 随着对弯头的进一步试验研究,现已证实大曲 率半径弯头中的物料流动状态并非完全如传统气力 输送理论所论述。文献证明,大曲率半径弯头内 壁磨损点显示了物料与管壁间的猛烈冲击和物料流 动方向的改变,物流冲击加剧能量消耗,并随 比值的增大而冲击点增多。而对于短弯头,试验观 察发现,短半径弯管存在一个物料堆积密集区, 与一端不通 M型管类似。物料密集区对管内壁起 到保护作用,减少了物料对管壁的冲击力和冲击次 数,同时由于物料密集区的贴近管内壁部分的物料 相对流动速度减缓,对管壁磨损也减弱。因此,尽管 物料与出口端管壁内侧有接触,而相应的磨损量非常小,这也是短半径弯头耐磨性优于长半径弯头耐 磨性的原因。尽管诸多的研究证实!/" 处于!"# 之间时弯头的耐磨性最好,但是目前人们对短半径 弯头的耐磨机理的了解不是很全面。本研究中两种 尺寸管径的弯头 !/" 均为!,但耐磨性仍旧有差 异,说明除了!/" 数值外,弯管直径本身也对磨损 率产生一定的影响。一个可能的原因在于大直径管 和小直径管道的内壁的面积与管道体积的比值不同 造成的。由于管道内壁的面积与管道直径一次方成 正比关系,而管道体积与管道直径的平方成正比关 系,因此,单位长度管道上,小直径管道的内壁面积 与体积的比值比大直径管道的内壁面积与体积比值 更大一些。换句话说,在运送相同体积的气固两相 流时,小管道暴露的内壁面积相对更大。基于这个 原因,在相同的!/" 值时,小直径管道的磨损比大 直径管道的磨损会更大。

管壁面积和管容积的比

弯管抵抗冲蚀的能力和自身的材料性能有着密 切的关系。研究表明,脆性材料和韧性材料在 冲蚀下的磨损机制有很大的不同。脆性材料在气流 所携带的颗粒冲击下,当冲击角处于K%L时的磨损 最严重,这主要是因为在固相颗粒的不断敲击下,脆 性材料表面会发生裂纹的形成与扩展,并最终发生 碎裂材料的剥离。韧性材料在大角度冲蚀时具有良好的耐冲蚀性,但是在小角度冲蚀时 的磨损严重。一般而言最严重的冲蚀发生在度的冲蚀过程[(]。韧性材料的冲蚀磨损主要是 由于颗粒作用下的表面塑性变形、疲劳以及硬颗粒 的不断切割。弯头中高速通过气固两相流时,气流 所夹带的颗粒对弯头内表面的冲蚀角度很小,因此 韧性材料的磨损非常严重。本文中所测试的弯头材 料中,’"M9具有强、韧结合和耐冲击的优良性能, 优于其他&种材料。因此,其表面塑性变形相对最 小,在小角度冲蚀作用下的耐磨性能也最好。

如果弯头材料一定,那么影响其磨损率的诸多 外在因素中,最重要的影响因素便是风速。实验结 果证实,磨损率和风速呈指数关系,并且指数幂在 ’I!"!之间。这表明磨损率的绝对数值是随着风 速的增长而快速增加的。在实际生产中通常可以根 据磨损率和风速之间的函数关系确定一个临界风速 值,将实际生产中的风速限制在此临界值以内。然 而,一味限制风速在很多应用场合都是不现实,甚至 是不可能的。所以很多预防措施的研究中都集中在 弯头结构的改进上。目前一个趋势是,将以往常用 的曲率半径与直径比值 &/’ 在#"’#之间的弯 头,更换为&/’ 在!"&之间的短半径弯头。传统 认为大曲率半径的弯头更接近直管,因此其磨损率 应更小。然而实验研究发现并非如此[&)#]。其主 要原因就在于短半径弯头内部存在一个物料密集 区,这个物料密集区的存在大大缓解了颗粒对弯头 内壁的磨损。

本研究中所采用的!种材料、两种尺寸的弯头, 其曲率半径与弯管内径的比值都是",但是其磨损 率仍旧表现出一定的差异,小直径的弯头磨损更严 重一些。这主要在于大直径管和小直径管道的内壁 的面积与管道体积的比值不同造成的。一段长度内管壁面积和管容积的比值为"/!,其中!是管道的 半径。因此,小直径弯头具有更大的面积/容积比。 因此输送同样风速、磨料浓度和磨料种类时,小直径 弯头相对暴露的内壁面积更大。因此,对于短半径 弯头,口径的大小对其耐磨性也有明显的影响。