正压浓相气力输送系统磨损机理分析及预防处理措施

赵永勤，刘创业

（新疆中泰化学托克逊能化有限公司，新疆 吐鲁番 838100）

正压浓相气力输送系统磨损机理分析及预防处理措施

赵永勤，刘创业

（新疆中泰化学托克逊能化有限公司，新疆 吐鲁番 838100）

主要分析了正压浓相气力输送系统中关键部件的磨损机理，阐述了输送条件、物料物性、输送管道结构及材质等主要磨损影响因素，从设计选材、操作等角度，提出降低磨损的有效措施。

正压浓相气力输送；输送管道；磨损

正压浓相气力输送系统是利用压缩空气 (或惰性气体)的能量在管道中输送粉状和颗粒状物料的方法，主要由气源、仓泵、输送管道、阀门和气-固分离装置组成，代表性技术主要有德国法特浓相气力输送系统、美国空气动力浓相气力输送系统和英国克莱德浓相气力输送系统等。因其具有系统自控程度高、输送能耗低、料气比高、可实现长距离输送等优点，已广泛被应用于化工、建材、环保、冶金、能源等部门，输送过程中料气比一般可达30:1，最大可达80:1，因此其压缩空气(或惰性气体)消耗量仅为其他气力输送系统的1/3-1/2。但关键设备磨损问题一直是影响其正常运行的重要难题，不但影响设备正常工作，而且还会破坏整个系统的气密性，导致物料泄漏污染周边环境，其故障发生率占整个故障率的一半以上[1]。如何降低和防范磨损是正压浓相气力输送系统中的一个重要的课题。

1 磨损机理分析

正压浓相气力输送系统物料输送过程中，在压缩空气(或惰性气体)的带动下，输送直管段内物料受气流推力、自身重力、与管壁撞击及物料间相互碰撞作用，物料和管道内壁发生接触式相对运动而产生摩擦磨损和冲击磨损。运动至弯管区域物料颗粒除受到如直管段内四种作用力外，还受到离心力作用，离心力作用下运动方向改变的物料颗粒高速撞击弯管外侧内表面，一部分物料颗粒沿内壁表面作滑动运动，而另一部分物料颗粒迂回撞击弯管内外侧，反复冲撞前移后通过弯管段。弯管壁面区域连续不断承受颗粒撞击产生塑性变形，最终导致管壁材料因疲劳剥落形成磨损槽，长时间作用下管壁被击穿[2]。Mason[3]弯管磨损试验表明，短曲率半径弯管处可形成物料密集区，减少物料对弯管管壁冲击，同时贴近管内壁物料相对流速减缓，对管壁磨损作用减弱，因此在选型设计上普遍选用曲率半径R与管内径D之比R/D=5～15。如图1所示。

图1 弯管内物料运动及磨损示意图

仓泵进料阀的磨损发生在进料阀打开或关闭时，紧贴在金属壁面上物料在重力作用下与阀芯表面产生三体摩擦滑移，大频率的开关操作和三体摩擦滑移会使阀芯疲劳损坏。物料量的多少、物料颗粒硬度和形状及阀芯材质都是进料阀磨损的主要影响因素。仓泵入口处的料位计也是磨损比较严重的部件之一，流化过程中，仓泵内物料颗粒在气流流化作用下具有一定的动能，并频繁撞击和摩擦料位计的保护套管形成双体磨损。

2 磨损主要影响因素

物料摩擦和冲击导致磨损的因素主要体现在输送参数条件、输送物料物性、输送设备状况等三个方面。

2.1 输送参数条件

输送参数条件主要包括输送压力、料气比及物料流动状态等，其中输送时气流速度对设备磨损的影响最大。研究表明，输送设备磨损量与物料颗粒冲击设备内壁速度的三次方成正比[4]，物料颗粒与

内壁接触时的相对速度越大、接触频率越高，撞击或摩擦产生的磨损速度也就越快。料气比是输送过程中物料质量与输送物料所消耗空气质量之比。料气比参数设定越大，密相区内气-固两相压力相对较高，摩擦及撞击能量也就愈大，致使设备磨损也愈严重。虽然提高料气比可降低气力输送系统能耗，但输送速度也明显下降，当输送速度随料气比提高而降低到噎塞速度Vh以下，就会导致输送管道堵塞。因此合理选择输送气流速度是保证系统稳定运行的关键，对正压浓相气力输送系统，出口速度可取1.1Vh-1.2Vh[5]。

2.2 输送物料物性

输送物料的物性主要包括物料颗粒大小、形状、硬度、水分和粘附性等。因磨损主要由物料与设备材料壁面摩擦或碰撞产生，所以物料颗粒越大、颗粒棱角越尖锐及硬度越大，则设备磨损越严重。物料含水量增大虽在一定程度上减轻机械磨损，但增大到某一限度时，反因金属管道材料氧化腐蚀加快而导致磨损加剧。

2.3 输送设备状况

输送设备的状况主要包括管道材质、硬度、表面加工情况、内径、布置方式及形状等。输料管道表面粗糙度越大、管径越小、使用弯管越多或弯曲角度越大等因素，都会使管壁磨损量增大。

3 减少设备磨损的措施

为减少正压浓相气力输送设备磨损现象的发生，根据磨损机理和磨损的主要影响因素，可以采取以下措施。

3.1 从设计选材角度优化

1）在输送管道规划布置时，合理安排管道排列，尽量减少管道弯管和磨损部件的数量，选用合适弯角的弯管或内外双套管，系统的流速较低，从而减少磨损、提高设备运转率。管道和法兰安装时，要保证管道端面与法兰断面平齐，防止在两法兰连接处产生凹槽，进而防止输送过程中在该处造成紊流和扰动，减小磨损。

2）工作压力、温度和耐磨性是选择气力输灰设备材料的主要依据。现正压浓相气力输送系统普遍选用金属陶瓷复合料管、低合金钢管、陶瓷管、聚酯材料管道等耐磨管道，此外采用复合耐磨涂料或内衬耐磨陶瓷加厚也可减少管道磨损。进料阀和排料阀受冲击面选用耐磨陶瓷或硬质合金，可以满足耐磨、耐压、耐冲击的要求，研究表明，在正压浓相气力输送系统中，在进料阀和料位计表面制备金属复合涂层，也可起到延寿防磨的作用[6]。

3）除选用耐磨材料外，输送设备最易磨损的弯管区域还可通过填充耐磨材料、加厚或将流通断面加大等措施，以减缓弯管区域物料颗粒间相互冲撞，防止对弯管壁面的磨损，以延长使用寿命[7，8]。

图2 填充耐磨材料或预加厚弯管

3.2 从操作方面进行优化

1）在正压浓相气力输送系统的进料流化阶段，物料颗粒与进料阀阀芯发生的三体磨料磨损最为严重，尤其是在仓泵加压流化阶段进料阀关闭不严时。除设计上采用耐磨陶瓷材质阀芯的进料阀，还可在操作上合理延长进料阀开启时间，减少进料阀开启次数，降低磨损；或选用执行到位、开关迅速的进料阀控制执行机构，以延长使用寿命。

2）设备磨损最严重阶段发生在物料输送阶段，磨损产生的频繁漏气漏灰给系统正常运行带来极大困难。在压力大、流速高的输送条件中，逆止阀关闭不严形成的返料使管壁面与物料颗粒剧烈摩擦，进而使进气管和增压管产生不同程度的泄漏。除设计上选用较为精密不锈钢逆止阀，减少物料颗粒磨损外，还可在确保气源压力和流量的情况下，降低输送管路初始端气源流速，有效降低颗粒动能。在运行过程中适当提高料气比，在降低系统能耗的同时减少设备磨损，及时更换或修理泄漏部件，以免加重磨损及威胁邻近部件。

4 结论

正压浓相气力输送系统设备磨损问题一直是影响正常运行的关键问题，通过对设备磨损机理的研究可看出，在实际生产中，磨损与输送条件、物料特性、输送设备状况密切相关。在不同的工况条件下，这些因素的影响程度也不尽相同，各因素对磨损的影响不是孤立的，而是综合地体现的。在设计选材中要统筹全局、全面考虑，合理进行材质选择和结构设计，尽可能多的将今后工作中可能产生的问题隐患降到最低；操作运行过程中对参数进行优化，及时检查维护易磨损设备，使设备性能得到最大发挥。

[1] 陈宏勋．管道物料输送与工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[2] 马正先.气力输送系统的弯头结构形式及合理选用[J]．起重运输机械，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,李从心.三体磨料磨损中磨料粒径分布测定试验研究[J]．润滑与密封，2005，1(1)：18-22．

[6] 马忠云,陈慧雁.气力输灰系统中磨损件的磨损失效机理分析及延寿技术研究[J].电力建设，2008,29（2）：80-82.

[7] 李永样．气力输送弯管的磨损及磨损机理研究[J].河南工业大学学报，2005，36(1)：60．

[8] 朱秀苹,李勇.气力输送中弯管磨损原因分析及预防措施[J].橡胶工业，2008，55（11）：680-684．

TQ022.3