用于清洗除銹的淹沒空化水射流噴嘴 實驗研究

廖 松 鄧松圣 李 亮 雷傳超

1.中國人民解放軍78366部隊, 云南 馬龍 655100; 2.中國人民解放軍陸軍勤務學院油料系, 重慶 401331; 3.鄭州聯保中心薊縣油料倉庫, 天津 301900

0 前言

儲油罐和輸油管道是儲運油品的必需工具。在長時間的儲運過程中,溫度變化、油品中雜質以及環境作用等因素的影響會導致儲油罐和輸油管道腐蝕生銹,影響儲運油品的質量,并帶來極大的安全隱患[1-4]。因此,為保證油品質量和設施安全,須定期對儲油罐和輸油管道進行清洗除銹[5]。空化水射流技術憑其安全、高效、破壞能力強的優點在船舶清洗、材料處理以及石油開采等方面應用較為廣泛[6-9]。在儲油罐和輸油管道的清洗除銹工藝中使用空化水射流技術,既能夠提高作業效率,又能保證清洗除銹質量。

根據剪切型空化原理,設計了新型的淹沒空化水射流噴嘴,采用同軸重疊的套筒形式,內噴嘴為角形噴嘴,即在高壓噴嘴外面加一圓筒形套筒來形成淹沒條件。當高壓水射到低壓水中便會形成淹沒水射流,淹沒水射流的邊界存在很大的速度梯度,在水的黏性力和反向壓差的共同作用下,射流邊界充滿了漩渦,空泡在充滿漩渦的射流中孕育初生,并在適當的距離里長大,在一定的靶距內射流沖擊物體表面,引起空泡潰滅,從而產生巨大能量使物體表面產生破壞[10-15]。本文通過實驗研究方法對所設計的噴嘴進行沖蝕實驗,對比不同結構形式的噴嘴射流空化性能,為儲油罐和輸油管道的清洗除銹應用提供借鑒。

1 噴嘴結構設計與加工

考慮到與實驗室高壓管路的連接及內外噴嘴之間的固定,所設計的淹沒空化水射流噴嘴結構由三部分組成,即內噴嘴(角形噴嘴)、基座及外噴嘴(圓柱形套筒),噴嘴結構見圖1～2。外噴嘴設計分4種形式,圖2-a)中外噴嘴為圓柱形噴嘴,編號為1#噴嘴;圖2-b)中外噴嘴為流線型噴嘴,編號為2#噴嘴;圖2-c)中外噴嘴為錐形噴嘴,編號為3#噴嘴;圖2-d)中外噴嘴同為錐形噴嘴,但外噴嘴出口段長度與3#噴嘴不同,具體尺寸參數如圖所示,編號為4#噴嘴。

2 實驗裝置和方案

在空化水射流實驗研究中,空化產生區域的形態、空化作用的范圍以及流場對空化效應的影響等問題都難以定量地測量分析[16-20],因此,采用間接方法,通過沖蝕試件來衡量淹沒空化水射流噴嘴的沖蝕效果,試件選用輕質耐火磚,選取質量、深度以及孔徑作為評價指標,并與角形噴嘴進行對比。在實驗過程中,對磚塊進行編號,每種工況進行三次實驗,計算沖蝕前后的差值,取平均值作為結果。實驗裝置見圖3。整套實驗裝置由高壓水系統和低壓水系統組成。

a)內噴嘴結構

b)基座結構

圖1內噴嘴及基座結構

圖3 實驗裝置

3 實驗結果與分析

a)沖蝕前的耐火磚

b)沖蝕后的耐火磚圖4 沖蝕前后的耐火磚

圖5 淹沒空化水射流自噴嘴噴出后流動形態

3.1 入口壓力對射流沖蝕能力的影響

內噴嘴入口壓力與沖蝕量的關系見圖6,角形噴嘴的尺寸參數和淹沒空化水射流噴嘴的內噴嘴尺寸參數相同。由圖6可見,隨著內噴嘴入口壓力的增加,4個淹沒空化水射流噴嘴和角形噴嘴的沖蝕量增加,且沖蝕量增加均有加快的趨勢,說明提高內噴嘴入口壓力有利于提高噴嘴的沖蝕能力。4個淹沒空化水射流噴嘴的沖蝕量均大于角形噴嘴的沖蝕量。其中,1#噴嘴的沖蝕量相對最小,4#噴嘴的沖蝕量最大,2#噴嘴和3#噴嘴的沖蝕量居中,2#噴嘴的沖蝕量略大于3#噴嘴的沖蝕量。1#噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的1.8～2.2倍,2#和 3# 噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的2.5～3倍,4#噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的3.5倍,這說明4個淹沒空化水射流噴嘴均能提高水射流的沖蝕能力,原因是流場內產生了空化現象,空蝕作用加快了靶材的破壞。外噴嘴收縮段流線型結構好于錐形結構,錐形結構好于圓柱形結構,流線型結構和錐形結構的導流作用有利于低壓水流動更加穩定,從而更穩定地包裹住高壓水,有利于促進空化的發展。4#噴嘴的沖蝕量高于3#噴嘴沖蝕量,說明適當增加淹沒段的長度有利于空化的產生,該長度應該存在最優值,有待進一步優化研究。

圖6 內噴嘴入口壓力與沖蝕量的關系

圖7 內噴嘴入口壓力與沖蝕深度的關系

內噴嘴入口壓力與沖蝕深度的關系見圖7,內噴嘴入口壓力與沖蝕孔徑的關系見圖8。由圖7～8可見,對于實驗中的5種噴嘴,沖蝕深度和沖蝕孔徑隨著內噴嘴入口壓力的增加均呈現出增加的趨勢,這也導致了沖蝕量的增加,與圖6顯示的結果相符合。其中,沖蝕深度對沖蝕量的影響更大一些,主要原因是隨著內噴嘴入口壓力的增加,射流的“水錘”作用及空蝕作用均有所增加,從而導致沖蝕深度增加。沖蝕孔徑也有一定的增加,這說明了空化水射流作用面積大、作用范圍廣的特點。當內噴嘴入口壓力達到一定值后,沖蝕孔徑增加緩慢,一是受到靶距的影響，二是當內噴嘴入口壓力達到一定值后,繼續提高壓力對提高空化效果有限,導致空蝕孔徑增加速度趨緩。

圖8 內噴嘴入口壓力與沖蝕孔徑的關系

3.2 靶距對噴嘴沖蝕能力的影響

靶距是指噴嘴出口距離靶材沖蝕表面的距離。為了研究靶距對噴嘴沖蝕能力的影響,以便確定噴嘴的最佳靶距,在內噴嘴入口壓力、沖蝕時間、外噴嘴入口流量相同的情況下,對淹沒空化水射流噴嘴進行了不同靶距下的沖蝕實驗,實驗結果見圖9～12。圖9顯示了靶距對1#噴嘴沖蝕能力的影響,由圖9可知,當靶距低于 30 mm 時,隨著靶距的增加,沖蝕量增加,說明在該階段,隨著靶距的增加,空泡得以進一步成長,空化效果進一步增強,空蝕破壞作用增大。靶距介于30～50 mm時,沖蝕量有所下降。當靶距大于50 mm時,沖蝕量繼續減小,空化作用減弱。這說明對于1#噴嘴,靶距在30 mm左右時,沖蝕效果最佳。隨著靶距的增加,沖蝕深度減小,沖蝕孔徑增大,這說明射流具有發散性,發散的同時空化射流的打擊面也增大。圖10、圖11和圖12分別顯示了靶距對2#、3#、4#噴嘴沖蝕能力的影響。從圖10～12可以看出,對于2#、3#和4#噴嘴來說,沖蝕量、沖蝕深度與蝕坑表面直徑沖蝕孔徑的變化規律與1#噴嘴基本相同。因此,2#、3#和4#噴嘴也都存在著最優靶距,2#噴嘴的最佳靶距約為40 mm,3#噴嘴的最優靶距處于30～40 mm 之間,4#噴嘴的最優靶距為30 mm。不同靶距下 1# 噴嘴射流沖蝕后的耐火磚蝕坑圖見圖13,從圖13可以看出沖蝕深度、沖蝕孔徑的變化規律,即隨著靶距的增加,沖蝕深度減小,沖蝕孔徑增加。

圖9 靶距對1#噴嘴沖蝕能力的影響

圖10 靶距對2#噴嘴沖蝕能力的影響

圖11 靶距對3#噴嘴沖蝕能力的影響

圖12 靶距對4#噴嘴沖蝕能力的影響

a)L=10 mm

b)L=30 mm

c)L=70 mm

d)L=140 mm

4 結論

結合加工技術水平,對設計的淹沒空化水射流噴嘴進行了加工。利用實驗室現有條件,搭建了射流沖蝕實驗系統,對所加工的4個淹沒水射流噴嘴的沖蝕能力進行了實驗研究,研究了內噴嘴入口壓力和靶距兩個關鍵因素對噴嘴沖蝕能力的影響,得到以下結論:

1)射流自噴嘴噴出后成白霧狀,且伴隨著刺耳的噪音,說明所設計的淹沒空化水射流噴嘴可以有效產生空化。

2)提高內噴嘴入口壓力可以有效提高角形噴嘴和淹沒空化水射流噴嘴的沖蝕能力,且4種淹沒空化水射流噴嘴的沖蝕能力均強于角形噴嘴的沖蝕能力,說明4種淹沒水射流噴嘴均能有效產生空化現象,空蝕作用的存在加速了靶材的破壞。

3)在相同條件下,1#噴嘴的沖蝕量相對最小,3#噴嘴的沖蝕量居中,2#噴嘴的沖蝕量略高于3#噴嘴,說明外噴嘴的結構和尺寸對流場空化強度的影響較大,外噴嘴收縮段流線型結構優于錐形結構,錐形結構優于圓柱形結構。

4)靶距是影響流場空化強度的重要因素,靶距過大和過小都會影響射流的沖蝕能力,最優靶距與噴嘴的結構有關,1#噴嘴的最優靶距約為30 mm,2#噴嘴的最優靶距約為40 mm,3#噴嘴的最優靶距介于30～40 mm之間,4#噴嘴的最優靶距為30 mm。