浆体管道磨损机理研究

浆体管道磨损机理研究

张继军 1 ,桂晓莉2

( 1. 兰州红叶精细化工公司,甘肃兰州730060; 2. 中石化宁波工程公司兰州分公司,甘肃兰州730060 )

摘要:分析了浆体管道的磨损机理,着重讨论了浆体流速对管道磨损的影响,并结合岳阳中石化壳牌煤气化项目,

探讨了如何选取合适的浆体输送管道直径。

关键词:浆体管道;磨蚀;流速

中图分类号: TE832

物料浆体管道输送具有投资少、运量大、能耗低、不污染环境及连续作业等优先,已广泛应用于金属矿山、石化、煤炭等行业散体物料的管道水力输送[ 1 ] 。管道的磨损是

浆体输送过程中一种常见现象,主要发生在管道的局部异形构件处,如弯头、三通等,直管道的磨损相对要弱,主要在管道的底部, 其他部位的磨损形式就比较复杂。磨损会使管道的强度和刚度急剧下降,带来不安全的隐患。因此,对于管道磨损的危害及防止必须给予高度重视。从浆体的运动形式、流速、物料特性等方面分析了浆体管道的磨损机理,并着重讨论了浆体流速对管道磨损的影响 .

1 浆体管道磨损机理

1. 1 浆体中固体颗粒的运动形式

在伪均质体或非均质体浆体中,固体颗粒的运动可分为( 1 )悬移质、( 2 )跳跃质、( 3 )推移质 3 种, 如图1所示。

图 1 浆体中固体颗粒的运动形式

在 3 种运动形式中,悬移质和跳跃质对管壁的磨损较小,推移质对管壁磨损大。固体颗粒以何种方式在管道中运动,取决于颗粒在管道中的轴向运动速度和径向运动速度[ 2 ] 。轴向运动速度主要由运动浆体对固体颗粒推动力决定; 径向速度取决于

固体颗粒沉积速度和浆体脉动速度之差,主要和固体颗粒粒径、形状、密度、浆体黏度和浓度有关。

1. 2 管道磨损形成的机理

1. 2. 1 单个固体颗粒与壁面的碰撞

设某个固体颗粒质量为m ,速度为v,以入射角α向壁面碰撞,碰撞时间为t,颗粒与壁面摩擦系数为μ,颗粒对壁面碰撞力为P,摩擦力为N ,颗粒对壁面磨损量为δi,碰撞

模型如图2所示。

图 2 碰撞模型

碰撞力 P 是壁面材料产生局部变形 、破碎和剥 离 ,摩擦力 N 则引起表面刮痕冲刷 ,可见 ,壁面磨损 是 P 和 N 共同作用的结果 ;磨损量还与碰撞接触时 间有关 ; 入射角 α

不同时 , P 和 N 值大小及碰撞时 间 t 也不同 ,磨损量发生变化 。由此看出 ,表面磨损 量实质上与颗粒所受的冲力有关 。

就单个固体颗粒来说 ,影响磨损量 δi 的主要原 因有颗粒质量 m ,粒子速度 v,入射角正弦sin α、摩擦系数 μ、粒子表面几何形状 φ,写成函数关系为 :

δi = f (m i , v, sin

α,μ,φ) (1) 1. 2. 2 颗粒群与壁面的碰撞

管道磨损实质上是固体颗粒群的碰撞结果 ,是 每个固体颗粒对壁面磨损的积累 。设单位时间内管 道中固体颗粒质量通量为 M ,单位时间内管道磨损 量 δ可通过对式 ( 1 )求和来表示 。 即：

n

i 1

==δρδ],,,sin ,,[1

ϕμαρv m f i i

n

i ==

()ϕμα,,s i n ,,v M f = （2）

式 ( 2 )中 固体 颗粒 通 量 M 可以 通 过管 道流 速来表示 ,即 :

M = V S C （3） 将式 ( 3 )代入式 ( 2 )中 ,同时注意到颗粒速度 v

是由管道流速 V 决定的 ,即可得到总磨损量 δ与各 影响因素之间的函数关系 : δ = f ( C , V , sin α,μ,φ) （4） 1. 3 其他因素对管道磨损的影响 1. 3. 1 管道流速的影响

管道流速决定了固体颗粒的运动和碰撞速度 。

实验表明 ,速度对磨损的影响程度最大 ,一般认为金 属材料的磨损量与浆体流速的 2～3次方成正比 。

1. 3. 2 固体质量浓度的影响

浆体浓度小于 1 %时 , 固体颗粒碰到管壁的几 率很小 ,管道的磨损量不大 ,当浆体浓度 ≤20 %时 , 磨损量随浓度线性增加 ;当浆体浓度 > 20 %时 ,磨损 量随浓度增加的幅度较小 。这主要是由于在较浓的 浆体中 ,固体颗粒的相互碰撞导致了颗粒对管道壁面的磨损效率的下降 。据有关资料表明 ,当固体颗 粒 ≤0. 05mm 时 , 几 乎 对 管 道 不 产 生 磨 损 作 用 ; 当0105 ≤d ≤0. 5mm 时 ,固体颗粒对管道磨损量随粒 径的增加而急剧增加 ; 当 d > 0. 5mm 时 , 粒 径再 增 加 ,管道磨损量无明显增长 。固体颗粒的比重越大 ,其沉降速度也大 ,浆体难以形成稳定的悬浮体 ,对管 道底部的磨损随之加快 。 1. 3. 3 入射角的影响

随着入射角不同 , 碰撞力P 、摩擦力N 、碰撞时间 t 三者对磨损的贡献和影响程度是不同的 ,它们之间存在着复杂的共效关系 ,磨损量存在极值 。实 验结果表明 ,韧性材料在低角度区域达到极值 ,脆性 材料在高角度区达到极值 。 1. 3. 4 摩擦系数的影响

摩擦系数与固体颗粒硬度 、壁面材料硬度、颗粒的表面几何形状 、管道粗糙度等因素有关 。固体颗 粒硬度不大于管道材料的硬度时 ,磨损作用不明显 ;随着固体颗粒硬度的提高 ,管道的磨损增加 。颗粒的表面形状对管道的磨损影响也较大 ,一般认为 ,圆 球形 、棱形 、尖角

形对管道的磨损量为 1 ∶2 ∶3。 2 浆体流速的计算

2. 1 浆体流速和管道磨损的关系

由浆体中固体颗粒的运动形式可知 ,为了减少 固体颗粒对管壁的磨损 ,应尽量使固体颗粒呈悬移

质和跳跃质 ,而要达到这一目的 ,必须提供足够大的

流速 。根据 SH ELL 对流速的要求 ,浆体管道的流速 限制在 1. 0～1. 5m / s 之间 [ 3 ]

。而根据其提供的 P I D 上的管径 ,计算所得的流速见表 1。可以明显看出 ,

计算出的流速并不符合 SH ELL 对流速的要求 ,针对 这种情况 ,我们有必要对浆体流速对管道的磨损做 一个分析 。

表 1 SH ELL 提供的管径及流速

P- 1701A/B P- 1704A/B P- 1709A/B

公称直径

DN150 DN150 DN80 内径（m ）

0.161 0.149 0.070 0.426669 0.406968 0.629622

2. 2 浆体流速的计算

2. 2. 1 B. C . 克诺罗兹公式 临界管径的确定

当 0. 07mm < d p ≤0. 15mm 时 ,

(

)

4

3248.212.0l

d

l K D C D Q +=β (5)

式中 : d p —加权平均粒径 (mm ) ; Q k —浆体流量 (m / s ) ; D l —临界管径 (m ) ; C d —浆体重量稠度的 100 倍 ; β—重度修正系数 , 按下式计算 :

7

.11

-=

g

γβ

γg —

物料固体重度 ( t /m); 计算结果见表 2。

表2 克诺罗兹临界管径计算

Q k

D l

Q k ’

V l D lyz 1 V yz 1 D lyz 2 V yz 2

(m 3 / s )

（m ） (m 3 / s )

(m/s)

（m ）

(m/s)

（m ）

(m/s)

P-1701A/B 0.008686 0.13249 0.008686 0.63008 0.161 0.426669 0.108 0.94819 P-1704A/B 0.007096 0.10499 0.007096 0.819667 0.149 0.406968 0.1 0.90351 P-1709A/B

0.002423

0.05648

0.002423

0.967133

0.070

0.629622

0.057

0.949568

表 1 中 , Q k 为原始的浆体流量 ; D l 为试代的管径 ; Q k ’为由 D l 计算得出的浆体流量 ; V l 为管径为 D l 时 , 计算得出的流速 ; D lyz 1为将 D l 向上圆整得到 的管径 ; V y z 1为 D lyz 1对应的流速 ; D lyz 2为将 D l 向下圆整得到的管径 ; V yz 2为 D lyz 2对应的流速 。

2. 2. 2 清华大学费祥俊教授的不淤流速计算式