正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)磨損機理分析及預防處理措施

趙永勤，劉創(chuàng)業(yè)

（新疆中泰化學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)磨損機理分析及預防處理措施

趙永勤，劉創(chuàng)業(yè)

（新疆中泰化學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)中關鍵部件的磨損機理，闡述了輸送條件、物料物性、輸送管道結構及材質等主要磨損影響因素，從設計選材、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，代表性技術主要有德國法特濃相氣力輸送系統(tǒng)、美國空氣動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、可實現(xiàn)長距離輸送等優(yōu)點，已廣泛被應用于化工、建材、環(huán)保、冶金、能源等部門，輸送過程中料氣比一般可達30:1，最大可達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。但關鍵設備磨損問題一直是影響其正常運行的重要難題，不但影響設備正常工作，而且還會破壞整個系統(tǒng)的氣密性，導致物料泄漏污染周邊環(huán)境，其故障發(fā)生率占整個故障率的一半以上[1]。如何降低和防范磨損是正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)中的一個重要的課題。

1 磨損機理分析

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)的帶動下，輸送直管段內物料受氣流推力、自身重力、與管壁撞擊及物料間相互碰撞作用，物料和管道內壁發(fā)生接觸式相對運動而產(chǎn)生摩擦磨損和沖擊磨損。運動至彎管區(qū)域物料顆粒除受到如直管段內四種作用力外，還受到離心力作用，離心力作用下運動方向改變的物料顆粒高速撞擊彎管外側內表面，一部分物料顆粒沿內壁表面作滑動運動，而另一部分物料顆粒迂回撞擊彎管內外側，反復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，最終導致管壁材料因疲勞剝落形成磨損槽，長時間作用下管壁被擊穿[2]。Mason[3]彎管磨損試驗表明，短曲率半徑彎管處可形成物料密集區(qū)，減少物料對彎管管壁沖擊，同時貼近管內壁物料相對流速減緩，對管壁磨損作用減弱，因此在選型設計上普遍選用曲率半徑R與管內徑D之比R/D=5～15。如圖1所示。

圖1 彎管內物料運動及磨損示意圖

倉泵進料閥的磨損發(fā)生在進料閥打開或關閉時，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，大頻率的開關操作和三體摩擦滑移會使閥芯疲勞損壞。物料量的多少、物料顆粒硬度和形狀及閥芯材質都是進料閥磨損的主要影響因素。倉泵入口處的料位計也是磨損比較嚴重的部件之一，流化過程中，倉泵內物料顆粒在氣流流化作用下具有一定的動能，并頻繁撞擊和摩擦料位計的保護套管形成雙體磨損。

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、輸送設備狀況等三個方面。

2.1 輸送參數(shù)條件

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

內壁接觸時的相對速度越大、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量與輸送物料所消耗空氣質量之比。料氣比參數(shù)設定越大，密相區(qū)內氣-固兩相壓力相對較高，摩擦及撞擊能量也就愈大，致使設備磨損也愈嚴重。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，當輸送速度隨料氣比提高而降低到噎塞速度Vh以下，就會導致輸送管道堵塞。因此合理選擇輸送氣流速度是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，對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，則設備磨損越嚴重。物料含水量增大雖在一定程度上減輕機械磨損，但增大到某一限度時，反因金屬管道材料氧化腐蝕加快而導致磨損加劇。

2.3 輸送設備狀況

輸送設備的狀況主要包括管道材質、硬度、表面加工情況、內徑、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，都會使管壁磨損量增大。

3 減少設備磨損的措施

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

3.1 從設計選材角度優(yōu)化

1）在輸送管道規(guī)劃布置時，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外雙套管，系統(tǒng)的流速較低，從而減少磨損、提高設備運轉率。管道和法蘭安裝時，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，進而防止輸送過程中在該處造成紊流和擾動，減小磨損。

2）工作壓力、溫度和耐磨性是選擇氣力輸灰設備材料的主要依據(jù)。現(xiàn)正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)普遍選用金屬陶瓷復合料管、低合金鋼管、陶瓷管、聚酯材料管道等耐磨管道，此外采用復合耐磨涂料或內襯耐磨陶瓷加厚也可減少管道磨損。進料閥和排料閥受沖擊面選用耐磨陶瓷或硬質合金，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，在進料閥和料位計表面制備金屬復合涂層，也可起到延壽防磨的作用[6]。

3）除選用耐磨材料外，輸送設備最易磨損的彎管區(qū)域還可通過填充耐磨材料、加厚或將流通斷面加大等措施，以減緩彎管區(qū)域物料顆粒間相互沖撞，防止對彎管壁面的磨損，以延長使用壽命[7，8]。

圖2 填充耐磨材料或預加厚彎管

3.2 從操作方面進行優(yōu)化

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

2）設備磨損最嚴重階段發(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)正常運行帶來極大困難。在壓力大、流速高的輸送條件中，逆止閥關閉不嚴形成的返料使管壁面與物料顆粒劇烈摩擦，進而使進氣管和增壓管產(chǎn)生不同程度的泄漏。除設計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，有效降低顆粒動能。在運行過程中適當提高料氣比，在降低系統(tǒng)能耗的同時減少設備磨損，及時更換或修理泄漏部件，以免加重磨損及威脅鄰近部件。

4 結論

正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)設備磨損問題一直是影響正常運行的關鍵問題，通過對設備磨損機理的研究可看出，在實際生產(chǎn)中，磨損與輸送條件、物料特性、輸送設備狀況密切相關。在不同的工況條件下，這些因素的影響程度也不盡相同，各因素對磨損的影響不是孤立的，而是綜合地體現(xiàn)的。在設計選材中要統(tǒng)籌全局、全面考慮，合理進行材質選擇和結構設計，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；操作運行過程中對參數(shù)進行優(yōu)化，及時檢查維護易磨損設備，使設備性能得到最大發(fā)揮。

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[5] 杜道山,方亮,李從心.三體磨料磨損中磨料粒徑分布測定試驗研究[J]．潤滑與密封，2005，1(1)：18-22．

[6] 馬忠云,陳慧雁.氣力輸灰系統(tǒng)中磨損件的磨損失效機理分析及延壽技術研究[J].電力建設，2008,29（2）：80-82.

[7] 李永樣．氣力輸送彎管的磨損及磨損機理研究[J].河南工業(yè)大學學報，2005，36(1)：60．

[8] 朱秀蘋,李勇.氣力輸送中彎管磨損原因分析及預防措施[J].橡膠工業(yè)，2008，55（11）：680-684．

TQ022.3