某磷化工廠礦漿管道彎頭的改進(jìn)

田維強(qiáng)

(貴州開磷集團(tuán)礦肥有限責(zé)任公司)

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某磷化工廠礦漿管道彎頭的改進(jìn)

田維強(qiáng)

(貴州開磷集團(tuán)礦肥有限責(zé)任公司)

某磷化工廠礦漿管道輸送過程中，原始設(shè)計(jì)選用的直角耐磨陶瓷復(fù)合管彎頭使用壽命只有5個(gè)月左右，使用周期較短，對正常生產(chǎn)的影響較大。在分析與研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)場改用球形彎頭，使用壽命可以提高3倍左右，效果顯著。

彎頭磨損管道

彎頭作為改變管路方向的管件，在流體介質(zhì)的管路輸送中使用極為普遍，是管件中的重要組成部分。由于彎頭結(jié)構(gòu)的特殊性，相對于其他管道輸送部件，更容易遭受所輸送介質(zhì)的沖刷腐蝕。有報(bào)道稱，彎頭的沖刷磨損比直管部分的磨損大約嚴(yán)重50倍[1]。因此，改善管路輸出中的薄弱環(huán)節(jié)，提高彎頭的使用壽命成為眾多工礦企業(yè)無法回避的問題。

1　礦漿管道輸送系統(tǒng)所存在的問題

碎至15～0mm的磷礦石從高處用彎管給入濕式球磨機(jī)中，球磨機(jī)排出的礦漿經(jīng)水力旋流器分級，-100目占90%以上的溢流經(jīng)管道輸送至下游工序。長期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，原設(shè)計(jì)使用的直角彎頭外側(cè)極易磨損，即使選用耐磨陶瓷復(fù)合管，其使用壽命也僅有5個(gè)月左右，使用周期較短，對正常的生產(chǎn)影響較大。

2　改進(jìn)措施與效果分析

探索試驗(yàn)表明，將原設(shè)計(jì)選用的直角彎頭改為球形彎頭，可將彎頭的使用壽命提升一倍以上，效果較好。這主要是因?yàn)樵诙S空間內(nèi)，以90°球形彎頭為例，當(dāng)磷礦漿的固液混合物以速度v1從A管流入球內(nèi)時(shí)，因入口截面積突然擴(kuò)大，使流動(dòng)的連續(xù)性遭到破壞，在原有流場擴(kuò)大的同時(shí)，兩側(cè)死角處激起渦旋，其流線分布由對稱狀態(tài)逐漸過渡到非對稱狀態(tài)，見圖1。

隨著流動(dòng)過程的繼續(xù)，球內(nèi)流動(dòng)由(a)過渡到(b)。這時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性原理，流速與截面積之間的關(guān)系式

(1)

式中，v1為流體在A管中的流速，m/s；s1為A管的橫截面積，m2；v2為流體流過球心截面處的速度，m/s；s2為球心截面積，m2。表明在同一管路系統(tǒng)中，流速與流過的截面積大小成反比。由于所選用球的半徑為管道半徑的2～3倍，因此，故v1比v2大。

圖1　球形彎頭的流動(dòng)分布

流體在球內(nèi)速度迅速降低的同時(shí)，壓力升高，即流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋Ｇ騼?nèi)不斷升高的壓力迫使流體從B管流出，流動(dòng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。從(a)到(c)的這一轉(zhuǎn)變及流動(dòng)的重新分布是在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)完成的速度、壓力和能量的轉(zhuǎn)換過程[2-3]。由于球內(nèi)氣流渦旋及摩擦的存在，使球形彎頭內(nèi)的這一轉(zhuǎn)變過程消耗了能量。因而出現(xiàn)了物料傳輸中的彎頭壓力損失。在礦漿輸送系統(tǒng)中,當(dāng)固液混合物流過轉(zhuǎn)彎處,受慣性力的作用,沖刷緊貼彎頭的外側(cè)面,使此處很快被磨穿,因此直角彎頭使用壽命較短(圖2)。根據(jù)固液相在彎頭內(nèi)部的分布規(guī)律，結(jié)合沖蝕模型[4]及球形彎頭和直角彎頭的數(shù)值模擬[5]可知：當(dāng)A、B兩條管道通過球形彎頭作90°轉(zhuǎn)彎時(shí),球形彎頭進(jìn)口直管段部分的顆粒分布較為均勻，而隨著混合液的流動(dòng)，A管流入球內(nèi)的流體,首先速度銳減至1/4～1/9倍(因截面積增大4～9倍),固相逐漸向圖1中CD斷面沉積，進(jìn)入球體后由于受到重力和附近回流的影響，固相顆粒開始出現(xiàn)明顯的沉積現(xiàn)象，特別是靠近直管出口區(qū)域及圖1中DF段。礦漿進(jìn)入球形彎頭內(nèi)很難直接沖刷到球的內(nèi)表面,而是與球內(nèi)的渦旋發(fā)生摩擦及物質(zhì)和能量的交換。因此,礦漿對球壁的直接磨損被緩沖而削弱。對球壁直接磨損的是球內(nèi)的渦旋，而渦旋的旋速較低，且集中在進(jìn)、出口管與球體的交接部位 (圖1中的C、D、E、F處)，這里就成為球形彎頭最先被磨蝕的地方。即使如此,根據(jù)球形彎頭和直角彎頭的數(shù)值模擬[5]可知，在入口流速相同的情況下，弧形直角彎頭的磨損量是球形彎頭的2.5～3倍。若對進(jìn)、出管與球體對接處的球面作加固焊接,預(yù)計(jì)球形彎頭使用周期會(huì)更長。

圖2　改變流向的流體作用在彎管上的力

3　改進(jìn)實(shí)施后效果

現(xiàn)場對流量為 443.11m3/h的礦漿采用DN300的耐磨陶瓷復(fù)合管輸送，計(jì)算出的管道流速為 1.74m/s，弧形直角彎頭的使用壽命為5個(gè)月左右，改造后的球形彎頭(球直徑900mm)使用14個(gè)月仍運(yùn)行情況良好?？梢娪们蛐螐濐^替代直角彎頭，可顯著提高彎頭的使用壽命。

4　結(jié)　語

(1)礦漿流經(jīng)球形彎頭時(shí)，內(nèi)部的固相顆粒主要分布在球壁附近的低速區(qū)域；礦漿流經(jīng)弧形彎頭時(shí)，固相顆粒主要分布在弧形彎管與出口直管交界處的外側(cè)區(qū)域，亦是固相流的高速區(qū)域，高速的固相流集中的區(qū)域就是管壁沖擊磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域。

(2)改造實(shí)際證明，使用球形彎頭代替弧形直角彎頭，使用壽命可以提高3倍左右，效果良好。

[1]李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動(dòng)磨損[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1987.

[2]普朗特L.流體力學(xué)概論[M].北京：科學(xué)出版社，1981.

[3]山榶雅信.簡明流體力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[4]張少峰，曹會(huì)敏，劉燕,等.彎管中固液兩相流及壁面碰撞磨損的數(shù)值模擬[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3)：48-54.

[5]劉陪坤，胡兆文，楊興華,等.兩種彎頭的數(shù)值模擬及磨損預(yù)測[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015(5)：167-169.

2016-06-26)

田維強(qiáng)(1972—)，男，工程師，550302 貴州省貴州。