氣力輸送系統(tǒng)中彎管的易磨損位置及其機(jī)理分析

封 凱，聶 偉，陳鳳官，郝振華，趙建濤

1.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；3.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230088

固體顆粒的氣力輸送技術(shù)在化工、能源、環(huán)保、食品和材料加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而管道磨損是影響輸送安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。工業(yè)實(shí)踐表明，在相同操作條件下，彎管的磨損速率是直管的20～50 倍[1]。因此，確定輸送彎管的最易磨損位置對(duì)管道磨損的防護(hù)具有重要意義。

為了進(jìn)一步了解磨損形成機(jī)理，很多學(xué)者通過(guò)控制相關(guān)條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究磨損問(wèn)題。Finnie 等[2]通過(guò)沖擊磨損實(shí)驗(yàn)給出了單顆粒沖蝕模型并比較了延性磨損和脆性磨損的不同特點(diǎn)。Oka 等[3]進(jìn)一步優(yōu)化提出了新的角度函數(shù)。姚軍等[4]研究了在彎管內(nèi)安裝肋條對(duì)抗磨效果的影響，認(rèn)為該方法有很好的抗磨效果。劉峰等[5-6]從實(shí)驗(yàn)角度探討了在磨損計(jì)算中氣流速度、沖擊角度和彎管彎徑比等因素的影響，認(rèn)為彎管多為塑性材料，沖擊角度在20°～30°時(shí)物料對(duì)管壁產(chǎn)生的磨損量大于75°～90°時(shí)產(chǎn)生的磨損量。目前對(duì)磨損研究的實(shí)驗(yàn)方法較多，且積累了一定的成果，但是多傾向于在理想條件下考察顆粒對(duì)靶材的沖擊來(lái)研究磨損機(jī)理，與流場(chǎng)條件結(jié)合較少，不便于直接應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)模擬具有成本低、易于開(kāi)展和便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被較多研究人員采用。楊春彬[7]采用EDEM-Fluent 耦合方法對(duì)不同工況下的輸送系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別研究了放置方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)條件對(duì)彎管磨損的影響，并認(rèn)為放置方式影響了顆粒分布位置進(jìn)而影響顆粒的碰撞區(qū)域，結(jié)構(gòu)參數(shù)則通過(guò)影響顆粒沖擊角度進(jìn)而影響磨損。Mclaury 等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了流場(chǎng)對(duì)管道磨損的影響，認(rèn)為磨損程度與湍動(dòng)能有關(guān)。徐寒冬等[9]使用Fluent 進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在氣力輸送中彎管磨損率最大位置往往是在直管入口端縱向?qū)ΨQ面內(nèi)。目前關(guān)于彎管磨損的計(jì)算機(jī)模擬大多是根據(jù)已有的單顆粒沖擊模型展開(kāi)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的指導(dǎo)意義尚需加強(qiáng)。

目前，關(guān)于彎管磨損的研究主要集中在管件壽命即磨損量，對(duì)于彎管易磨損位置的研究相對(duì)較少。Derrick 等[10]通過(guò)Mason 彎管磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨損的部位通常發(fā)生在22°（外側(cè)），45°（內(nèi)側(cè)）和75°～85°（外側(cè)）。Vahid 等[11]在研究沙粒氣力輸送時(shí)認(rèn)為彎管磨損率最大位置大約為沖擊角45°。可以看出，關(guān)于彎管易磨損位置的研究仍然是不夠充分的，缺少與宏觀量的關(guān)聯(lián)和機(jī)理的分析。同時(shí)，磨損研究工作大多關(guān)注的是微小顆粒（100 μm 以下）的輸送如細(xì)顆粒加壓煤粉輸送[12]，實(shí)際生產(chǎn)中也涉及較大顆粒的氣力輸送問(wèn)題如大顆粒煤粉輸送[13]，但涉及這方面的研究工作相對(duì)較少。本研究旨在考察表觀氣速、固體流率、顆粒粒徑和彎徑比對(duì)彎管易磨損位置的影響，以期為實(shí)踐中磨損的預(yù)測(cè)和監(jiān)控形成指導(dǎo)和幫助。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

氣力輸送管道的磨損實(shí)驗(yàn)裝置由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、料斗、星型給料器和旋風(fēng)分離器等組成，如圖1 所示。管道內(nèi)徑為40 mm，受測(cè)彎管段為水平流動(dòng)豎直向上的90°彎管。在受測(cè)彎管之前的水平管長(zhǎng)度大于管道直徑30 倍，以保證彎管前氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為氣源，根據(jù)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)表觀氣速，轉(zhuǎn)子流量計(jì)相距彎管入口距離不太遠(yuǎn)（3.3 m），以轉(zhuǎn)子流量計(jì)處的氣速作為彎管入口處的氣速，星型給料器調(diào)節(jié)固體流率，形成不同的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)以石英砂為輸送物料（物性參數(shù)見(jiàn)表1），平均粒徑分別為151，235 和323 μm。受測(cè)彎管的彎徑比（R/D）分別為0.6，1.6 和3.1，考察不同彎徑比彎管的磨損位置。采用涂層磨損實(shí)驗(yàn)來(lái)研究彎管的易磨損位置，并通過(guò)電容層析成像（ECT）測(cè)量彎管入口截面上的固含率分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of the experimental platform

表1 顆粒物性參數(shù)Table 1 Properties of solid particles

1.2 涂層模型磨損實(shí)驗(yàn)

實(shí)際生產(chǎn)生活中的磨損是長(zhǎng)期緩慢的過(guò)程，不利于通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究。為了考察彎管中的易磨損位置，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在彎管內(nèi)壁均勻涂布涂料層考察易磨損位置，涂層模型如圖2 所示。在磨損實(shí)驗(yàn)中，磨損速率最大位置最先出現(xiàn)磨洞，以此來(lái)考察彎管上的易磨損位置。

圖2 涂層模型Fig.2 Model of the coating

1.3 磨損位置定義

為了準(zhǔn)確定位在彎管上的磨損位置，一般采用彎管圓心角的定義方法，即磨損位置與彎管圓心連線與豎直方向所成角度，如圖3所示。但該方法對(duì)不同彎徑比的彎管不適用，位于同一高度的磨損位置會(huì)處于不同圓心角，因此不利于比較不同彎徑比對(duì)彎管磨損位置的影響。本實(shí)驗(yàn)研究氣流由水平流動(dòng)轉(zhuǎn)為豎直向上流動(dòng)的彎管，通過(guò)磨損點(diǎn)在豎直方向上相距入口處水平管管底的距離（h）與管內(nèi)徑（D）的比值（h/D）來(lái)確定磨損點(diǎn)位置，如圖4所示。本工作提出的高度定義法確定彎管的磨損位置，更便于確定不同彎徑比的彎管的最易磨損位置。

圖3 磨損位置的角度定義法Fig.3 Angle definition for the erosion position

圖4 磨損位置的高度定義法Fig.4 Height definition for the erosion position

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀氣速對(duì)磨損位置的影響

在彎管的彎徑比為1.6，實(shí)驗(yàn)物料石英砂粒徑（dp）為323 μm，固體流率（fs）為16.5，44.5和62.4 g/s 條件下，彎管的易磨損位置隨表觀氣速（Vg）的變化情況如圖5 所示。從圖中可以看出，對(duì)于不同固體流率，磨損位置均分布于h/D為0.5 處，即管截面的圓心沿水平方向在彎管管壁上的映射位置。然而，隨著表觀氣速?gòu)?1.6 m/s增加到一臨界氣速之后，磨損位置有明顯的下移趨勢(shì)，最后基本穩(wěn)定在h/D為0.2 處，即管截面圓心映射位置下方的位置。

圖5 表觀氣速對(duì)彎管易磨損位置的影響Fig.5 Effect of superficial gas velocities on erosion positions

2.2 固體流率對(duì)磨損位置的影響

從圖5可以看出，對(duì)于不同的固體流率，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速有所不同。固體流率越大，易磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速更小。在彎管的彎徑比為1.6，實(shí)驗(yàn)物料石英砂粒徑為323 μm條件下，彎管的易磨損位置隨固體流率的變化情況如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)表觀氣速為11.6 m/s時(shí)，固體流率的增加沒(méi)有對(duì)易磨損位置產(chǎn)生顯著影響；隨著表觀氣速的增加如在表觀氣速為14.2 m/s時(shí)，伴隨固體流率增加，易磨損位置開(kāi)始出現(xiàn)下移趨勢(shì)，當(dāng)表觀氣速為16.8 m/s和19.5 m/s時(shí)，在固體流率增加條件下易磨損位置的下移趨勢(shì)愈加明顯；當(dāng)表觀氣速為22.1 m/s時(shí)，下移趨勢(shì)消失，固體流率的增加對(duì)易磨損位置沒(méi)有顯著影響。

圖6 固體顆粒流率對(duì)彎管易磨損位置的影響Fig.6 Effect of solid flow rate on erosion positions

2.3 粒徑對(duì)磨損位置的影響

在彎管的彎徑比為1.6，固體流率為16.5 g/s，實(shí)驗(yàn)物料石英砂粒徑為151，235和323 μm條件下，彎管的易磨損位置隨表觀氣速的變化情況。如圖7所示可以看出，表觀氣速在11.6 m/s時(shí)，對(duì)于不同粒徑的石英砂，分布于h/D為0.5處的磨損位置，隨著表觀氣速?gòu)?1.6 m/s增加到某一臨界氣速后，磨損位置開(kāi)始下移，最后基本穩(wěn)定在h/D為0.2處。從圖中還可以看出，對(duì)于不同粒徑的石英砂，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)的臨界氣速有所不同?？梢钥闯?，粒徑的不同影響了磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速，小粒徑顆粒的磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速更小，而大粒徑顆粒的磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速更大。

圖7 固體顆粒粒徑對(duì)彎管易磨損位置的影響Fig.7 Effect of particle diameter on erosion positions

2.4 彎徑比對(duì)磨損位置的影響

在固體流率為16.5 g/s，實(shí)驗(yàn)物料石英砂粒徑為235 μm，彎管彎徑比為0.6，1.6和3.1的條件下，彎管的易磨損位置隨表觀氣速的變化情況如圖8如示。從圖8可以看出，對(duì)于不同彎徑比的彎管，磨損位置分布于h/D為0.5處，隨著表觀氣速?gòu)?1.6 m/s增加到某一臨界氣速后，磨損位置開(kāi)始下移，最后基本穩(wěn)定在h/D為0.2處。從圖中還可以看出，對(duì)于不同彎徑比的彎管，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速有所不同。大彎徑比彎管的磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速更小；而小彎徑比彎管的磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速更大。

圖8 不同彎徑比對(duì)彎管易磨損位置的影響Fig.8 Effect of R/D ratio on erosion positions

2.5 機(jī)理分析

彎管磨損問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是顆粒與彎管管壁的相互作用，考慮到在氣固兩相流彎管流場(chǎng)中的顆粒行為特點(diǎn)，即在氣固兩相流中固相顆粒慣性遠(yuǎn)大于氣相，粒徑在100 μm 以上的顆粒在經(jīng)過(guò)彎管時(shí)會(huì)保持在水平段中的原有速度而徑直撞向管壁[14-16]。另外，氣固兩相流中的固含率也體現(xiàn)了氣流的夾帶能力，即氣流速度，而氣流速度又很大程度上決定了顆粒速度，因而彎管上游的顆粒分布會(huì)直接影響到彎管處顆粒的磨損行為。

通過(guò)ECT 觀察彎管入口上游管截面上的固含率（εs）分布。在實(shí)驗(yàn)物料石英砂粒徑為151 μm，固體流率為16.5 g/s，彎管彎徑比為1.6 時(shí)，不同表觀氣速下彎管入口管截面的固含率分布如圖9 所示。圖中，橫坐標(biāo)為無(wú)量綱距離，即從管截面頂部開(kāi)始豎直向下的距離（y）與管截面直徑（D）的比值。在表觀氣速為7.1 m/s 時(shí)，由于氣速較小，氣流夾帶能力不足，很多顆粒分布在管截面底部，最大固含率主要分布于管截面底部。隨著表觀氣速的增加，氣流夾帶能力增強(qiáng)，越來(lái)越多的顆粒離開(kāi)管截面底部被氣流帶走，最大固含率開(kāi)始分布于管截面中心，同時(shí)管截面中心（如y/D為0.5 處）與管截面中心下方（如y/D為0.6 處）之間在固含率上的差異逐漸減小。

結(jié)合圖9中的固含率測(cè)量結(jié)果可以看出，在正常的氣力輸送條件下管截面中心的固含率往往是最大，考慮到管截面中心的氣流速度最大，夾帶能力最強(qiáng)，因而管截面中心既具有較大固含率又具有較大氣流速度和顆粒速度，使得在管截面中心沿水平入口方向在彎管管壁上的映射位置形成了較大磨損，即在圖5～圖8中所觀察到的，在管截面中心沿水平入口方向在彎管管壁上的映射位置形成較大磨損，這也與Zhang等[16]得到的模擬結(jié)果相符。

結(jié)合圖9還可以看出，隨著表觀氣速的增加，管截面中心的固含率和管截面中心下方的固含率之間的差異在減小，在這里固含率體現(xiàn)了氣流的夾帶能力即氣流速度的大小，而氣流速度決定了顆粒速度的大小，因而在管截面中心的顆粒與管截面中心下方的顆粒的動(dòng)量之間的差距減小。此時(shí)，盡管管截面中心的顆粒速度仍然大于管截面中心下方的顆粒速度，但是從磨損角度看，考慮到彎管管壁的圓形形狀，管截面中心下方的顆粒在撞擊管壁時(shí)比起管截面中心的顆粒更加接近于切向，切削作用更強(qiáng)，對(duì)涂層容易造成更大磨損。而且，由于彎管的離心分離作用，會(huì)有很多顆粒沿管壁行進(jìn)，在管壁附近形成濃度較大的固含率分布，管截面圓心的顆粒在撞向彎管管壁時(shí)會(huì)遇到更多的沿管壁行進(jìn)的顆粒，這些顆粒會(huì)吸收過(guò)來(lái)的顆粒的一部分動(dòng)能，對(duì)管壁形成一定的保護(hù)作用[17]。因而，隨著表觀氣速的增加，磨損位置出現(xiàn)了下移的傾向，但是這種下移也有限制，下移到一定程度后接近底部沉積區(qū)，顆粒速度過(guò)小，不足以形成更大磨損速率，因而最后磨損位置穩(wěn)定在h/D為0.2附近。

圖9 不同表觀氣速下的管截面縱向的固含率分布Fig.9 Solid concentration in cross-section at different superficial gas velocities

對(duì)于同一種材料，粒徑越小，顆粒越容易被氣體攜帶。在氣固輸送的彎管中，盡管截面中心的顆粒速度較大，但隨著表觀氣速的增加，會(huì)有更多的顆粒從管截面底部的沉積區(qū)被夾帶進(jìn)入到管截面中部的氣流作用區(qū)。而粒徑越小，被加速能力越強(qiáng)，管截面中心下方的顆粒速度就越接近管截面中心的顆粒速度，造成磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)的臨界氣速減小?？紤]到彎管的圓形特點(diǎn)，彎徑比的增大意味著同樣條件下的顆粒在撞向彎管管壁時(shí)沖擊角的減小，即沖擊方向更加接近于切向，在同樣條件下顆粒對(duì)彎管管壁造成的沖擊磨損更容易增大，使得管截面中心下方的顆粒在撞擊管壁時(shí)在磨損效果上更容易趕上管截面中心的顆粒。因而，彎徑比越大，造成磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)的臨界氣速更小。固體流率的增加也會(huì)影響氣流對(duì)顆粒的加速能力，從而改變了易磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速。固體流率的增加還會(huì)改變?cè)诮孛嫔瞎毯实姆植记樾?，在一定表觀氣速范圍內(nèi)，易磨損位置隨固體流率增加出現(xiàn)下移趨勢(shì)，而在表觀氣速過(guò)低或過(guò)高時(shí)，這種變化均不明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)涂層磨損實(shí)驗(yàn)的方法并結(jié)合ECT固含率測(cè)量，研究了固體顆粒氣力輸送系統(tǒng)中彎管的易磨損位置，考察了表觀氣速、固體流率和粒徑大小對(duì)不同彎徑比彎管的易磨損位置的影響：

a）表觀氣速較低條件下（約11 m/s），彎管的易磨損位置位于h/D為0.5處，即管截面圓心在彎管管壁的映射位置。當(dāng)表觀氣速增大到一臨界氣速之后，彎管的易磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)，最后會(huì)穩(wěn)定在水平管中心映射位置下方一定高度的位置，即h/D為0.2處；

b）固體流率的增加會(huì)影響到磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速，固體流率越大，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速越??；同時(shí)，當(dāng)表觀氣速在一定范圍內(nèi)，固體流率增加會(huì)使磨損位置出現(xiàn)下移；當(dāng)表觀氣速過(guò)高或過(guò)低時(shí)，固體流率的增加對(duì)磨損位置沒(méi)有顯著影響；

c）顆粒粒徑會(huì)影響到磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速，粒徑越小，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速越??；

d）彎徑比會(huì)影響到磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速，彎徑比越大，磨損位置出現(xiàn)下移趨勢(shì)時(shí)的臨界氣速越小。