雙套管輸送系統磨損分析及磨損對系統輸送的影響

周吉凱

（攀鋼集團鋼鐵釩鈦股份公司有限發電廠,四川攀枝花 617012）

1 引言

氣力輸送是粉粒體輸送的比較理想的方式，應用很廣泛。隨著使用要求的不斷提高，已經有數十年應用歷史的稀相懸浮氣力輸送方式呈現出因氣流速度高帶來的能耗大、管道磨損快、除塵較困難、噪聲大等問題。因此，人們試從低風速高濃度中尋求解決上述問題的途徑。于是作為濃相輸送的一種，雙套管輸送技術就出現了。

2 雙套管系統介紹

雙套管屬于濃相輸送類。其集料及發送裝置與一般的稀相輸送系統一致，由罐體、罐體內的氣化裝置以及進出控制閥組成。與稀相輸送系統不同的是輸送管道采用特殊結構，原理圖如圖1。

圖1 雙管道輸送原理圖

輸送原理：使輸送空氣持續紊流，這種紊流是采用第二條管道來實現，即在輸料管上部裝有一直徑較小的內管，內管內每隔一定距離設有一特定的開口。當輸料管道某處發生物料堵塞時，堵塞后方的輸送壓力增高而迫使氣流進入內管，進入內管的壓縮空氣從堵塞下游的開口以較高的速度流出，從而對該處堵塞的物料產生擾動和吹通作用，保證管道內物料的正常輸送。

3 雙套管磨損的影響因素

這里將影響磨損的因素歸納說明，這些因素包括粉體的有關性質與運動狀態以及管道材料的性質。

3.1 磨損的原因

(1)粒子大小

如圖2所示，粒度增大將增加磨損速率。據四川電力試驗研究院對攀鋼發電廠粉煤灰的粒度測定，89%分布在10～90 μm之間，，考慮燃燒等因素，粒度平均按 60 μm 考慮，即磨損速率為 6mg.cm-2·h-1。這一磨損速率是顆粒垂直沖刷管道時候的情況，實際上這種情況只有在內旁通管上存在，在外管上是不存在的，故外管的磨損要小很多。

圖2 粒度對磨損速率的影響

(2)粉體硬度

粉體硬度越高，對管道的磨損率也會越高。粉煤灰與鋼管的硬度比＜1.1,屬于軟磨粒磨損。

（3）粒子尖角

料粒形狀多尖棱，會增加磨損率。攀鋼發電廠的粉煤灰在鍋爐內燒結后，屬于混圓球形。（2）、（3）項見圖3。

圖3 粉體尖角及硬度與磨損率的關系

（4）粉體含水率

由于粉體含有水分，促進了鋼鐵材料的氧化，因而增加磨損程度，但含水量增加到一定程度，則因過多的水分減輕了機械摩擦，反而使磨損下降。這一因素在粉煤灰溫度＞100℃的情況下，可以不用考慮。

(5)粉體濃度

在粉體沖擊管道的情況下，濃度增加，會加劇磨損程度，但濃度過高的話，由于粒子相互干涉，反而減輕了對管道的沖擊磨損程度。由于灰氣比高達29，濃度很高，這一因素的影響也很小。

(6)粉體與管道之間壓力

粉體與管道之間壓力也決定了磨損量，一般來說，壓力越高，磨損越厲害。但在雙套管這一輸送方式中，粉體與管道之間壓力在正常情況下很低，根據輸送的壓力曲線來看，在0.2 MPa以下，故這一因素影響較小。

（7）沖擊角

粉體沖擊角對磨損的影響，與磨損機理和材料性質有關，對延性材料，比如無縫鋼管，以10°～20°的沖擊角接觸時，磨損最大，而對脆性材料，象內襯陶瓷管，則垂直沖擊磨損最大。在管道內數以億計的粉體粒子中，可以認為沖擊角從0°～90°是平均分布的，也既是說，最大磨損沖擊角發生的概率在10%～20%之間，也不屬于磨損的主要因素。

（8）灰氣速度

對粉煤灰來說，鋼管磨損量與速度的2.5次方成正比關系。根據對原來的倉泵稀相與現在的雙套管濃相輸灰磨損的定期檢查，倉泵輸灰管在入口流速高達10 m/s至15 m/s，灰管出口末速22.8 m/s至41.4 m/s的情況下，10 mm厚的鋼管制作的彎頭，20天即可磨穿。而雙套管輸送系統在初速度5.2 m/s，末速度 10.2 m/s，10 mm 厚的鋼管制作的彎頭，60天才有磨穿情況發生。

這可以說明，灰氣速度才是影響管道磨損的關鍵因素。

3.2 對直管段磨損的分析

從以上所列磨損的影響因素可知道，對長的直管段來說，其磨損主要體現在高速粒子不斷沖擊管子內壁造成的刮削磨損，其次還有部分的壓剝磨損。

其磨損率主要與氣流速度有關。而氣流速度與截面積的變化相關。

在整個雙套管中，截面積變化有四處：

(1)DN150mm母管通過DN32mm的節流孔板；

(2)然后到各單元DN100mm總管；

(3)進入DN200mm的雙套管；

(4)進入DN250mm的雙套管；

在第一二截面積變化處，由于是純壓縮空氣，磨損極輕微，忽略不計。但需要依次計算速度。

(1)DN150mm母管通過DN25mm的節流孔板的空氣流量，由下式（公式1）計算：

式中：S 為孔板有效通流面積，S=μA=0.9×1/4ЛD2=1.81×10-4m2。

P0=6×105Pa；

T0=293 K

則：Qv*=12.85 m3/min=771 m3/h。

(2)到各單元DN100mm總管時的速度：由下式（公式2）計算：

式中：V：壓縮空氣在管道內的流速（m/s）

Q*：壓縮空氣在管道內的流量（m3/h）

D：壓縮空氣在管道管徑（mm）

計算得到：V=26 m/s

(3)進入到DN200mm雙套管時的速度

計算得到：V=8 m/s，此即是輸送初速度。

（4）進入到DN250mm雙套管時的速度

計算得到：V=6 m/s。

當然，這只是理論值，由于氣灰混合物在管道內膨脹、堵塞吹通后流量、壓力的變化，速度值會變大，但最大不會超過10 m/s。

倉泵輸送管道磨損分析

倉泵輸灰管的管徑變化有三處：

（1）DN150mm母管通過DN80mm的管道；

（2）然后進入到倉泵；

（3）進入DN125mm的灰管；

（4）進入DN150mm的灰管。

DN150mm母管通過DN80mm管道的空氣流量

式中：S為管道通過氣化層有效通流面積，S=μA=0.35×1/4ЛD2=4.4×10-4m2。

P0=5×105Pa；

T0=293K

則：Qv*=25.87 m3/min=1552 m3/h。

到4m3的倉泵后，由于壓縮空氣迅速膨脹原因，可以認為速度與出口管一致：

由公式2得到DN125mm管道內速度：V=26 m/s，此即是輸送初速度。

進入到DN150mm管道時的速度：

由公式2得到：V=20 m/s，考慮氣灰混合物膨脹等因素，末速會達到32 m/s左右。

因此，倉泵輸灰管內的灰氣速度大約為雙套管內輸送速度的3倍，即磨損率雙套管只有倉泵輸灰管的1/9。這也在實際生產中得到驗證。

3.3 對彎頭磨損的分析

長期使用的情況統計表明，彎頭的首先磨穿為22°A 處，45°B 處，70～80 °C 處，直管D 處。如圖 4。

雙套管上使用的彎頭都是內襯陶瓷彎頭，陶瓷厚度6 mm，陶瓷管在粉煤灰輸送中的磨損率一般按碳素鋼管的1/17計算，即同等厚度的情況下，鋼管如果使用一個月就磨穿，那么陶瓷管使用17個月才磨穿。當然，這是在陶瓷管整體質量良好的情況下得出的，實際上受鋼管與陶瓷管之間的應力、陶瓷顆粒的燒結強度等等因素的影響，實際壽命是有波動的，但是使用12個月一般沒問題。

其次，要注意制作焊接彎頭時，形成彎頭的各直管段的接縫要避開A,B,C點，對D點用加長陶瓷管的辦法使壽命延長。

圖4 彎頭磨損分析示意圖

4 磨損對系統輸送的影響

磨損對輸送的影響體現在能否滿足生產的需要，即磨損后單位時間的送走的粉煤灰能否大于電除塵器收集的粉煤灰。

當內旁通管頭部堵板磨穿后，一方面灰氣混合物同時進入外管和內管，在進口的第一個500 mm段會使內管的通流面積下降，但在內旁通管的第一塊擋板的分流作用下，從第二個500 mm段開始，通流面積基本恢復正常。也即在第一段500 mm輸灰管之后的管道堵塞后的疏通幾乎不受影響，疏通這段堵塞管的后部壓縮空氣通過內管的時間延長可以忽略不計。同時還有一種情況，即內旁通管磨穿后，整個管道與后面需要疏通的料柱形成更長的料柱，使堵塞段加長，于是輸送壓力需要提高。在各種傾斜角度的管道中，吹通長度為L堵塞段所需上下游斷面處壓力p1和p2的示意圖如圖5。

圖5 上下游斷面處壓力p1和p2的示意圖

關系式如下：

式中:ρb--堵塞料的堆密度；fw--顆粒與管壁的摩擦系數；p1--斷面前氣體壓力;p2--斷面后氣體壓力;K--側壓系數。

在雙套管中，發生堵塞的下游只有布袋除塵器的過濾阻力約1000 Pa，可以近似認為p2=0。

那末上式改寫為：

對于水平管，θ=0°，則得到吹通壓力為：

對于鉛垂管，θ=0°，則得到吹通壓力為：

比較上述兩式，可知：pH=pvfw，一般fw=0.2，則pv=5pH，表明鉛垂管道堵塞的吹通壓力為水平段的5倍。水平管堵塞長度與吹通壓力曲線見圖6。

雙套管磨損后，其堵塞長度會增加，但由于壓縮空氣的壓力提升速度很快，故磨損增加對輸送能力影響很小。

其次，在外管磨穿后，管內壓縮空氣泄漏后壓力降低，致使在堵塞料柱較長情況下，吹堵壓力上升慢，造成輸送時間延長。

5 結論

5.1 影響雙套管磨損速度的主要因素是氣灰混合物的流速。

5.2 雙套管輸送系統的磨損較之倉泵輸送系統大幅下降。

5.3 雙套管磨損后，其堵塞長度會增加，但由于壓縮空氣的壓力提升速度很快，故磨損增加對輸送能力影響很小。但在外管磨穿后，管內壓縮空氣泄漏后壓力降低，致使在堵塞料柱較長情況下，吹堵壓力上升慢，造成輸送時間延長。

[1]楊倫,謝一華主編.氣力輸送工程[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]《氣動工程手冊》編委會.氣動工程手冊[M].北京：國防工業出版社，1995.

[3]許福玲,陳堯明主編 .液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2000.