正壓濃相氣力輸送系統磨損機理分析及預防處理措施

趙永勤，劉創業

（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磨損機理分析及預防處理措施

趙永勤，劉創業

（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、美國空氣動力濃相氣力輸送系統和英國克萊德濃相氣力輸送系統等。因其具有系統自控程度高、輸送能耗低、料氣比高、可實現長距離輸送等優點，已廣泛被應用于化工、建材、環保、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的氣密性，導致物料泄漏污染周邊環境，其故障發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，物料和管道內壁發生接觸式相對運動而產生摩擦磨損和沖擊磨損。運動至彎管區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。彎管壁面區域連續不斷承受顆粒撞擊產生塑性變形，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，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在輸送參數條件、輸送物料物性、輸送設備狀況等三個方面。

2.1 輸送參數條件

輸送參數條件主要包括輸送壓力、料氣比及物料流動狀態等，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。料氣比參數設定越大，密相區內氣-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穩定運行的關鍵，對正壓濃相氣力輸送系統，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象的發生，根據磨損機理和磨損的主要影響因素，可以采取以下措施。

3.1 從設計選材角度優化

1）在輸送管道規劃布置時，合理安排管道排列，盡量減少管道彎管和磨損部件的數量，選用合適彎角的彎管或內外雙套管，系統的流速較低，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。現正壓濃相氣力輸送系統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 從操作方面進行優化

1）在正壓濃相氣力輸送系統的進料流化階段，物料顆粒與進料閥閥芯發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，降低磨損；或選用執行到位、開關迅速的進料閥控制執行機構，以延長使用壽命。

2）設備磨損最嚴重階段發生在物料輸送階段，磨損產生的頻繁漏氣漏灰給系統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，而是綜合地體現的。在設計選材中要統籌全局、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生的問題隱患降到最低；操作運行過程中對參數進行優化，及時檢查維護易磨損設備，使設備性能得到最大發揮。

[1] 陳宏勛．管道物料輸送與工程應用[M]．北京：化學工業出版社，2003．

[2] 馬正先.氣力輸送系統的彎頭結構形式及合理選用[J]．起重運輸機械，1996，(6)：7．

[3] Mills D，Mason JS．Learning to live with erosion of bends[A]． First International Conference on the Inter and External Protection of Pipes[C]．Durham：BHRA Fluid Engng．1982．

[4] MayA．Pneumatic conveyance of abrasive mate-rials[J]．Bulk Solids Handling，1988，18(2)：24．

[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，2008，55（11）：680-684．

TQ022.3