分析重介选煤管道磨损因素及防磨措施分析重介选煤管道磨损因素及防磨措施球形弯头也称转向球,在水泥及生料的气力输送系统中,作为管道弯头的代用件,以其制作简单,安装方便,耐用性能好等优点,在大中型水泥厂的气力输送中应用日益广泛。然而,对球形弯头内的流动分布、磨损原理、阻力大小、合理球径、制作安装等一系列问题并无统一规范和理性认识。为此,作以下探讨,希望促进转向球的应用及推广。 1 1 球形弯头内的流动分析球形弯头内的流动分析 在二维空间内,以 90球形弯头为例,当流态化的料气混合物以速度v1从 A管流入球内时,如图 1 所示,因入口截面积突然扩大,使流动的连续性被破坏。在原有流场扩大的同时,两侧死角处激起涡旋。其流线分布由对称状态最终转为非对称状态。 图 1 球形弯头的流动分布 随流动过程的继续,球内流动由过渡为状态。这时,根据流体力学连续性原理,流速与截面积之间有以下关系式: v1s1=v2s2 (1) 式中: v1流体在 A 管中的流速,m/s;s1A 管的横截面积,m2;v2流体流过球心截面处的速度,m/s;s2球心截面积,m2。上式表明,在同一管路系统中,流速与流过的截面积大小成反比。由于球的截面积一般比管道截面积大几倍,即有s2s1,故有v1v2。气流在球内速度迅速降低的同时,压力升高,即流体的动能转变为压力能。球内不断升高的压力迫使流体从 B 管流出,流动达到相对稳定状态,如图 1所示。从到的这一转变及流动的重新分布是在一个极短暂的时间内完成的速度、压力和能量转换过程。由于球内气流涡旋及摩擦的存在,使球形弯头内的这一转变过程产生了能耗。因而出现了物料传输中的弯头压力损失。 2 2 球形弯头的磨损原理球形弯头的磨损原理 在气力输送系统中,普通弯头是磨损最快的部件。当料气混合物流过转弯处,受惯性力的作用,冲刷紧贴弯头的外侧面,使此处很快被磨穿,降低了使用寿命,见图 2。料气混合物在球形弯头内的流动则与普通弯头不同。从图 1可以看出,当A、B 两条管道通过球形弯头作 90转弯时,A 管流入球内的流体,首先速度锐减35 倍(因截面积增大 35 倍),其次,气流进入球形弯头内很难直接冲刷到球的内表面,而是与球内的涡旋发生摩擦及物质和能量的交换。因此,流体对球体的直接磨损被缓冲而削弱。对球壁直接磨损的是球内的涡旋。而涡旋的旋速较低又集中在进、出口管与球体的交接部位 C、D、E、F(图 1)。这里成为球形弯头最先被磨穿的地方。即使如此,球形弯头在不加固的情况下,其使用寿命也比普通弯头长 35 倍,使用期可达十年以上(输送水泥)。若对进出管与球体对接处的球面作加固焊接,则使用周期更长。 图 2 改变流向的流体作用在弯管上的力 3 3 球形弯头的相似阻力系数及合理球径球形弯头的相似阻力系数及合理球径 在水泥厂的气力输送管路中,通常要转几次弯才能将物料送至目的地。以某厂的气力输出系统为例(图 3):出磨水泥进入螺旋泵即被加压吹入管路系统,经A、B、C、D、E 五个球形弯头分别作 90转弯后,沿水平管道及三通阀进入水泥库。若要计算这一管路系统的压力损失,五个球形弯头的压损是应当考虑的。 图 3 水泥气力输送系统 料气混合物流过球形弯头与流过普通弯头一样要产生压力损耗。压损的大小因球径大小、转弯角度的不同而不同。众所周知:在气力输送中,由水平转向垂直向上的 90转弯,普通弯头转弯部分的压力损失的计算式为: v2 P = m (2) 2 式中:P普通弯头压力损失,Pa;v管中气流平均速度,m/s;m气固混合物密度,kg/m3;弯头阻力系数。式中阻力系数与弯管的曲率半径R和管道内直径D的比值有关,见表、图 4所示。 R/D比值与的关系 R/D24671.50.750.50.38对于球形弯头,其相似曲率半径R的大小与球的直径大小和管路转角大小有关。当作 90转角输送时,则Rr球,证明如下: 普通弯头的转弯半径 球形弯头的相似的转弯半径 图 4 转弯半径 由图 4 可知,由 A 管轴心与球面垂直交点A引切线向上,同由 B 管轴心与球面垂直交点B引切线向右交于C点,以C点为圆心,CB为半径作圆弧,即得球形弯头相似曲率半径R,因ACBO为一正方形,故有AO=BC=r球=R,即r球=R,若球的半径 r球增大R也变大。当管道内径D一定时,R大,R/D的比值也随之增大,球形弯头相似阻力系数变小。压力损失从(2)式可知,在v与m一定时,小,P也小。实际上流体在球内的转弯并不完全如图 4 那样规整,而是像图 1中那样略有凸起束状分布,但这并不妨碍关于相似阻力系数的讨论。在应用中为了制作安装的方便,球形弯头的直径不宜选择太大来满足的要求。一般普通 90弯头其R=2.53m,球形弯头的球径则多取 36D(D为管道内径),其相似阻力系数值为 1 左右。实践证明,这已能满足使用要求了。当 A、B 管作 135转弯时(图 5),球形弯头的相似曲率半径R由作图可以证明:R2.5r球。 图 5 135转向球的R 这一结果表明,在相同阻力系数的条件下,135转向的球形弯头直径可以比 90转弯的球形弯头的直径小 2.5 倍。例如:有一气力输送管内径D=200mm,用于 90转弯的球形弯头直径为800mm,则R=400mm,R/D=2,其相似阻力系数1.5(见表),若该管路作135转弯,则球形弯头的直径为 8002.5=320mm,其1.5 不变。球形弯头在应用中直径大小的选取要根据管路系统的实际情况来决定,通常在管道内径的 36 倍范围内选取。当管路总压降、转角及安装条件确定后,球形弯头的直径也可确定下来。 4 4 球形弯头的制作及安装球形弯头的制作及安装 球形弯头的制作主要是焊接中空球体。有了空心钢壳球体,焊上进出管道就构成球形弯头。因此,制作空心球体是制作球形弯头的关键。 图 6 空心球体的制作 如图 6 所示,一个空心钢球是由 N 端与 S 端两个球冠及 1、2、3n若干球瓣组合而成。因此,只要制作出球冠及球瓣,再将其焊接起来,就成为球形弯头的球体。球冠大小取球的直径（1/61/4）D,直接在厚度 48mm A3 或优质低合金钢板上下料。按球体弧形样板用锤敲出球冠弧度(图 7a)。球瓣应先放样后下料。取油毡一块划一直线长度为,就是图7b 中 NS。两端宽度取(1/61/16)d1。再将去掉 N、S 球冠的球台高H作1、2、3n等分(见图 6)。测量出每一等分切面处直径d2、d3、d4dn。并计算出各切面周长及等分弧长:(1/61/16)d2标于 1-1,(1/61/16)d3标于 2-2,依次放线至n-n(图 7b)。取等分点越多球瓣越接近球面形状。将画好样板剪下在钢板上放实样并切割出 616 块(块数根据等分决定)。若钢板较厚应加热煨出球面状,供组装使用。 图 7 球冠及球瓣放样 将制成的两球冠及 616 块(根据球大小取等分数)球瓣拼焊装配即成为一个空心钢球。球形弯头的安装较灵活方便。根据管路走向及转角和管道外径尺寸,在球面上定位划线开两个孔。为提高耐用性,在开孔周围宽 5080mm 内加焊 46mm 钢板。将球吊入安装位置,插入进出管焊接固定即成。 5 5 结语结语 流态化物料在球形弯头内的流动,从微观上讲是十分复杂的。本文仅从工程 实用的角度对其流动分布、阻力系数、合理球径等问题作了探讨。希望这一研 究有助于球形弯头设计水平及使用寿命的提高,使之在气力输送管路系统中的应 用更加广泛。