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管道对焊弯头磨损特性的研究

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      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1,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2.然面,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(5~30m/s)、磨料种类、磨料浓度磨料尺寸和弯管尺寸等因素对对焊弯头磨蚀行为的影响。1试验方法与步骤1.1实验装置试验装置俯视简图见图1.该装置为负压系统,弯管前后分别有充裕直管段以保证气流平稳。所选取气体流速为(5,10,15,20,25,30m/s)选取3种磨料,一种为精密铸造用刚玉微粉,颗粒直径为20m,另一种为精密铸造用锆砂,颗粒直径40m,第三种为砂轮用刚玉,颗粒直径为120pm。磨料浓度范围为(5-40)g/m3试验弯管材质选取4种,分别为10#钢、20钢、18-8不锈钢(Cr18N9Ti)和16Mn,规格分别为DN65和DN80,曲率半径和管道直径比(R/D)为21.3实验方法磨料放人烘箱中于120℃烘烤6h,以增强其流动性。将弯管酸洗以去除表面锈层,用百分之一电子分析天平称量后装入试验架。试验后用酒精除去试样表面杂物,用电子分析天平称重2实验结果2.1输送风速的影响图2中(a)、(b)所示分别为DN6s对焊弯头和DN80弯管在不同风速下的磨损率,磨料浓度为20g/m3,其中磨损率的定义为输送单位物料时金属弯管的磨损量。尽管影响气力输送管道系统磨损率的因素很多,但归根结底,对于相同材料的弯管,气体输送速率是其磨损率最重要的影响因素。由图2可以看出,18-8不锈钢的耐冲蚀性最差,其次为10钢和20“钢,16Mn材料的耐冲蚀性***。对于相同的材料,随着输送风速的增大,不同管径的弯管磨损率都明显增大。

    有资料表明4,气体输送速率和磨损率之间有如下关系式:E=是v其中,E为磨损率,V为风速,k和n为常数,可以通过实验测得。表1为计算所得各种材料弯管的k值和n值。传统气力输送理论认为物料在弯头内是點着外侧内壁流动,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R与管内径D之比为5~15的主要原因4.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【S】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R/D比值的增大而冲击点增多。而对于短弯头,试验观察发现3,短半径弯管存在一个物料堆积密集区,与一端不通T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R/D处于2~3之间时弯头的耐磨性***,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R/D均为2,但耐磨性仍旧有差异,说明除了R/D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,小直径管道的内璧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R/D值时,小直径管道的磨损比大直径管道的磨损会更大。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7-9,脆性材料和韧性材料在冲蚀下的磨损机制有很大的不同。跪性材料在气流所携带的颗粒冲击下,当冲击角处于90°时的磨损最严重,这主要是因为在固相颗粒的不断敲击下,胞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(接近90°)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15°20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对焊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,16Mn具有强、韧结合和耐冲击的优良性能优于其他3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***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1.2-2之间。这表明磨损率的***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R/D在5-15之间的弯头,更换为RD在2~3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(3-S。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。


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