正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)磨損機(jī)理分析及預(yù)防處理措施

趙永勤，劉創(chuàng)業(yè)

（新疆中泰化學(xué)托克遜能化有限公司，新疆 吐魯番 838100）

正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)磨損機(jī)理分析及預(yù)防處理措施

趙永勤，劉創(chuàng)業(yè)

（新疆中泰化學(xué)托克遜能化有限公司，新疆 吐魯番 838100）

主要分析了正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的磨損機(jī)理，闡述了輸送條件、物料物性、輸送管道結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等主要磨損影響因素，從設(shè)計(jì)選材、操作等角度，提出降低磨損的有效措施。

正壓濃相氣力輸送；輸送管道；磨損

正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)是利用壓縮空氣 (或惰性氣體)的能量在管道中輸送粉狀和顆粒狀物料的方法，主要由氣源、倉泵、輸送管道、閥門和氣-固分離裝置組成，代表性技術(shù)主要有德國法特濃相氣力輸送系統(tǒng)、美國空氣動(dòng)力濃相氣力輸送系統(tǒng)和英國克萊德濃相氣力輸送系統(tǒng)等。因其具有系統(tǒng)自控程度高、輸送能耗低、料氣比高、可實(shí)現(xiàn)長距離輸送等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛被應(yīng)用于化工、建材、環(huán)保、冶金、能源等部門，輸送過程中料氣比一般可達(dá)30:1，最大可達(dá)80:1，因此其壓縮空氣(或惰性氣體)消耗量僅為其他氣力輸送系統(tǒng)的1/3-1/2。但關(guān)鍵設(shè)備磨損問題一直是影響其正常運(yùn)行的重要難題，不但影響設(shè)備正常工作，而且還會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的氣密性，導(dǎo)致物料泄漏污染周邊環(huán)境，其故障發(fā)生率占整個(gè)故障率的一半以上[1]。如何降低和防范磨損是正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)中的一個(gè)重要的課題。

1 磨損機(jī)理分析

正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)物料輸送過程中，在壓縮空氣(或惰性氣體)的帶動(dòng)下，輸送直管段內(nèi)物料受氣流推力、自身重力、與管壁撞擊及物料間相互碰撞作用，物料和管道內(nèi)壁發(fā)生接觸式相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦磨損和沖擊磨損。運(yùn)動(dòng)至彎管區(qū)域物料顆粒除受到如直管段內(nèi)四種作用力外，還受到離心力作用，離心力作用下運(yùn)動(dòng)方向改變的物料顆粒高速撞擊彎管外側(cè)內(nèi)表面，一部分物料顆粒沿內(nèi)壁表面作滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而另一部分物料顆粒迂回撞擊彎管內(nèi)外側(cè)，反復(fù)沖撞前移后通過彎管段。彎管壁面區(qū)域連續(xù)不斷承受顆粒撞擊產(chǎn)生塑性變形，最終導(dǎo)致管壁材料因疲勞剝落形成磨損槽，長時(shí)間作用下管壁被擊穿[2]。Mason[3]彎管磨損試驗(yàn)表明，短曲率半徑彎管處可形成物料密集區(qū)，減少物料對(duì)彎管管壁沖擊，同時(shí)貼近管內(nèi)壁物料相對(duì)流速減緩，對(duì)管壁磨損作用減弱，因此在選型設(shè)計(jì)上普遍選用曲率半徑R與管內(nèi)徑D之比R/D=5～15。如圖1所示。

圖1 彎管內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)及磨損示意圖

倉泵進(jìn)料閥的磨損發(fā)生在進(jìn)料閥打開或關(guān)閉時(shí)，緊貼在金屬壁面上物料在重力作用下與閥芯表面產(chǎn)生三體摩擦滑移，大頻率的開關(guān)操作和三體摩擦滑移會(huì)使閥芯疲勞損壞。物料量的多少、物料顆粒硬度和形狀及閥芯材質(zhì)都是進(jìn)料閥磨損的主要影響因素。倉泵入口處的料位計(jì)也是磨損比較嚴(yán)重的部件之一，流化過程中，倉泵內(nèi)物料顆粒在氣流流化作用下具有一定的動(dòng)能，并頻繁撞擊和摩擦料位計(jì)的保護(hù)套管形成雙體磨損。

2 磨損主要影響因素

物料摩擦和沖擊導(dǎo)致磨損的因素主要體現(xiàn)在輸送參數(shù)條件、輸送物料物性、輸送設(shè)備狀況等三個(gè)方面。

2.1 輸送參數(shù)條件

輸送參數(shù)條件主要包括輸送壓力、料氣比及物料流動(dòng)狀態(tài)等，其中輸送時(shí)氣流速度對(duì)設(shè)備磨損的影響最大。研究表明，輸送設(shè)備磨損量與物料顆粒沖擊設(shè)備內(nèi)壁速度的三次方成正比[4]，物料顆粒與

內(nèi)壁接觸時(shí)的相對(duì)速度越大、接觸頻率越高，撞擊或摩擦產(chǎn)生的磨損速度也就越快。料氣比是輸送過程中物料質(zhì)量與輸送物料所消耗空氣質(zhì)量之比。料氣比參數(shù)設(shè)定越大，密相區(qū)內(nèi)氣-固兩相壓力相對(duì)較高，摩擦及撞擊能量也就愈大，致使設(shè)備磨損也愈嚴(yán)重。雖然提高料氣比可降低氣力輸送系統(tǒng)能耗，但輸送速度也明顯下降，當(dāng)輸送速度隨料氣比提高而降低到噎塞速度Vh以下，就會(huì)導(dǎo)致輸送管道堵塞。因此合理選擇輸送氣流速度是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)，出口速度可取1.1Vh-1.2Vh[5]。

2.2 輸送物料物性

輸送物料的物性主要包括物料顆粒大小、形狀、硬度、水分和粘附性等。因磨損主要由物料與設(shè)備材料壁面摩擦或碰撞產(chǎn)生，所以物料顆粒越大、顆粒棱角越尖銳及硬度越大，則設(shè)備磨損越嚴(yán)重。物料含水量增大雖在一定程度上減輕機(jī)械磨損，但增大到某一限度時(shí)，反因金屬管道材料氧化腐蝕加快而導(dǎo)致磨損加劇。

2.3 輸送設(shè)備狀況

輸送設(shè)備的狀況主要包括管道材質(zhì)、硬度、表面加工情況、內(nèi)徑、布置方式及形狀等。輸料管道表面粗糙度越大、管徑越小、使用彎管越多或彎曲角度越大等因素，都會(huì)使管壁磨損量增大。

3 減少設(shè)備磨損的措施

為減少正壓濃相氣力輸送設(shè)備磨損現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)磨損機(jī)理和磨損的主要影響因素，可以采取以下措施。

3.1 從設(shè)計(jì)選材角度優(yōu)化

1）在輸送管道規(guī)劃布置時(shí)，合理安排管道排列，盡量減少管道彎管和磨損部件的數(shù)量，選用合適彎角的彎管或內(nèi)外雙套管，系統(tǒng)的流速較低，從而減少磨損、提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。管道和法蘭安裝時(shí)，要保證管道端面與法蘭斷面平齊，防止在兩法蘭連接處產(chǎn)生凹槽，進(jìn)而防止輸送過程中在該處造成紊流和擾動(dòng)，減小磨損。

2）工作壓力、溫度和耐磨性是選擇氣力輸灰設(shè)備材料的主要依據(jù)?，F(xiàn)正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)普遍選用金屬陶瓷復(fù)合料管、低合金鋼管、陶瓷管、聚酯材料管道等耐磨管道，此外采用復(fù)合耐磨涂料或內(nèi)襯耐磨陶瓷加厚也可減少管道磨損。進(jìn)料閥和排料閥受沖擊面選用耐磨陶瓷或硬質(zhì)合金，可以滿足耐磨、耐壓、耐沖擊的要求，研究表明，在正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)中，在進(jìn)料閥和料位計(jì)表面制備金屬復(fù)合涂層，也可起到延壽防磨的作用[6]。

3）除選用耐磨材料外，輸送設(shè)備最易磨損的彎管區(qū)域還可通過填充耐磨材料、加厚或?qū)⒘魍〝嗝婕哟蟮却胧?，以減緩彎管區(qū)域物料顆粒間相互沖撞，防止對(duì)彎管壁面的磨損，以延長使用壽命[7，8]。

圖2 填充耐磨材料或預(yù)加厚彎管

3.2 從操作方面進(jìn)行優(yōu)化

1）在正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)的進(jìn)料流化階段，物料顆粒與進(jìn)料閥閥芯發(fā)生的三體磨料磨損最為嚴(yán)重，尤其是在倉泵加壓流化階段進(jìn)料閥關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)。除設(shè)計(jì)上采用耐磨陶瓷材質(zhì)閥芯的進(jìn)料閥，還可在操作上合理延長進(jìn)料閥開啟時(shí)間，減少進(jìn)料閥開啟次數(shù)，降低磨損；或選用執(zhí)行到位、開關(guān)迅速的進(jìn)料閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以延長使用壽命。

2）設(shè)備磨損最嚴(yán)重階段發(fā)生在物料輸送階段，磨損產(chǎn)生的頻繁漏氣漏灰給系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來極大困難。在壓力大、流速高的輸送條件中，逆止閥關(guān)閉不嚴(yán)形成的返料使管壁面與物料顆粒劇烈摩擦，進(jìn)而使進(jìn)氣管和增壓管產(chǎn)生不同程度的泄漏。除設(shè)計(jì)上選用較為精密不銹鋼逆止閥，減少物料顆粒磨損外，還可在確保氣源壓力和流量的情況下，降低輸送管路初始端氣源流速，有效降低顆粒動(dòng)能。在運(yùn)行過程中適當(dāng)提高料氣比，在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)減少設(shè)備磨損，及時(shí)更換或修理泄漏部件，以免加重磨損及威脅鄰近部件。

4 結(jié)論

正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備磨損問題一直是影響正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題，通過對(duì)設(shè)備磨損機(jī)理的研究可看出，在實(shí)際生產(chǎn)中，磨損與輸送條件、物料特性、輸送設(shè)備狀況密切相關(guān)。在不同的工況條件下，這些因素的影響程度也不盡相同，各因素對(duì)磨損的影響不是孤立的，而是綜合地體現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)選材中要統(tǒng)籌全局、全面考慮，合理進(jìn)行材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能多的將今后工作中可能產(chǎn)生的問題隱患降到最低；操作運(yùn)行過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)檢查維護(hù)易磨損設(shè)備，使設(shè)備性能得到最大發(fā)揮。

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