水煤浆输送管道磨损过程的解析.pdf_大学文库

第1 4 卷第 1 期 x。马2年 1 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l 。 1 4 N o 。 1 J a n 。 19 9 2 水煤浆输送管道磨损过程的解析夏德宏 ’ 徐文利 ’ 王世均 ` 摘要 : 分析了水煤浆管道输送过程中的浆体流动规律及煤粉颗粒的运动情况。通过对煤粉颗粒和管壁的摩擦过程分析 , 推导了水煤浆输送管道的管壁磨损量计算方法。计算表明 : 水煤浆对管壁的磨损很小。这进一步证明了建立长距离水煤桨管道输送系统的可行性。通过对管道磨损过程的解析 , 提出了减少磨损的具体措施。关键词 : 水煤桨 , 磨损 , 管内流动 A n A n a l y t i e a l S t u d y o n P I P e W e a r i n g o f CW S T r a n s P o r t a t i o n X i a D e h o 作 g . X “ 牙 e n l f . 牙。 ” 夕 S h 玄i 。路 . A B ST R A C T : T h o f l o w e h a r a e t e r i s t i e s o f C o a l 一 W a t e r S l u r r y ( C W S ) a n d t五e m o - v e m e n t o f e o a l p o w d e r i n t h e p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n o f C W S a r e a n a l y s e d . T h e n , t h e e a l e u l a t i o n m e t h o d o f C W S p i p e w e a r i n g h a s b o e n g o t b y a n a l y s i n g t h e r u b P r o e e s s o f e o a l p o w d e r w i t h i n n e r s 往 r f a e e o f p i p e 。 I t 五a s b e e n p r o v e d b y t h e e a l e u l a t i o n r e s u l t s t h a t t h e p i p e w e a r i n g 1 5 v e r y s li g h t i n p r o o f o f t h e f e i s i b i li t y o f l o n g d i s t a n e e p sp e l s n e t r a n s p o r t a t i o n o f C W S 。 D e t a i l e d m e a s u r e s a r e a l s o a n a l y s e d t o r e d u e e p i p e w e a r i n g o f C W S . K E Y W O R D S : C o a l 一 W a t e r S l u r r y , w e a r i n g , p i p e f l o w 水煤浆是一种新型的煤基流体燃料 , 它可以采用管道泵送。目前 , 美国和苏联都已经建立了长达数百公里的输煤和输浆管道〔 ` ’ 。我国对煤浆管道运输向题也十分重视 , 并在唐 1 , 9 1 一 0 7 一 0 6收到初稿 , 1 9 9 2 一 1 0 一 1 2 收到修改稿热能工程系 ( D e P a r t ” e n t O f E n e r g y E n 多三a e e r i n g ) 略 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 01. 030

山建起了我国第一个管道输煤输浆试验中心，桂林钢厂的800m水煤浆厂区输送管线已安全可靠地运行了2年多。为了进一步推广应用水煤浆和缓和我国煤炭铁路运输的紧张局面，必须建立长距离的输浆管线。煤浆在管内流动呈何种运动状态、煤浆对管道的磨损情况如何等等问题都是人们十分关注的，也是水煤浆推广应用中必须解决的关键技术问题。 1水煤浆管内流动状态分析水煤浆是一种具有触变性的复杂非牛顿流体。但是大量实验证实(2)：处于各种触变结构的水煤浆的流变性都可以用不同屈服应力和塑性粘度的Bingham塑性流体模型来描述。它在管内的流动可以分为2个区域，即管壁附近的剪切流区(r>r)和管中心附近的塞状流区 (r≤「p)。水煤浆在管内流动时的速度分布和剪切应力分布可表示为()： a=,C-r内）-，(R-)门当r>rp,剪切流区 (1) =2,C-(2张)门-，〔r-()门当 r≤rp,塞状流区 (2) T=(r/2)(4P/L) (3) 式(1)、(2)、(3)中，4、4P、L、R、r、Ty分别为水煤浆的塑性粘度、管道两端的压力差、管道长度、管道半径、管内的任意半径及水煤浆的屈服应力。由于水煤浆中添加剂的加人，使得煤粉颗粒在水中分散得非常均匀，但毕竟还是一种固液两相悬浮体，煤粉颗粒的运动状况也是需要了解的。在剪切流区，由于存在速度梯度，煤粉颗粒将受到一个剪切转矩的作用而发生旋图1煤粉颗粒在速度梯度场中旋转转，如图1所示。速度梯度越大，颗粒旋转 Fig.1 Rotation of coal powder in a field 越快，在塞状流区，速度梯度为零，颗粒不旋 with velocity gradient 转。由此可见，在剪切流区，煤粉颗粒除了以整体的滑动外还附加了自身的旋转运动。根据对剪切流区颗粒的受力分折，可以导出低剪切雪诺数(R©。= d/v≤1)时的颗粒旋转速度为3： 7=(1/2)7×u (4) 实际水煤浆管道输送过程中，R。《1,,由此可以推导出水煤浆管道输送中煤粉颗粒的旋转速度分布为：当r>rp,剪切流区 (5) 84

山建起了我国第一个管道输煤输浆试验中心 , 桂林钢厂的 8 0 nt 水煤桨厂区输送管线已安全可靠地运行了 2 年多。为了进一步推广应用水煤浆和缓和我国煤炭铁路运输的紧张局面 , 必须建立长距离的输桨管线。煤浆在管内梳动呈何种运动状态、煤浆对管道的磨损情况如何等等问题都是人们十分关注的 , 也是水煤浆推广应用中必须解决的关键技术问题。水煤浆管内流动状态分析水煤浆是一种具有触变性的复杂非牛顿流体。但是大量实验证实〔 2 ’ : 处于各种触变结构的水煤浆的流变性都可以用不同屈服应力和塑性粘度的 iB 鳍 h a m 塑性流体模型来描述。它在管内的流动可以分为 2 个区域 , 即管壁附近的剪切流区 (r > r , ) 和管中心附近的塞状流区 (r ( , 尸 ) 。水煤浆在管内流动时的速度分布和剪切应力分布可表示为〔 “ ’ : 1 产 J P _ 。。、 _ 、、、 , _ _ 一 _ , _ . 、 _ u = 一厂 t 而了 ( “ ` 一 r ` ) 一 T , ( 允一 r ) ! 兰 r 夕 r , , 勇切流区 ( 1 ) 尸尸 , 、任 ~ 尸州尸 1 冈p 产 _ 。 U 二 - -一厂二二井 I 亢 ` 一邓 , 1 4 .L 、〕一下 , 〔 “ 一 ( 2丫 , L 』尸回当 · 守一塞状流区 ( 2 ) ( 3 ) 、 R 、 , 、 , , 分别为水煤浆的塑性粘度、管道两端的 ) 一L L , 、尸一P , 、 1月2P 一了卜J , ù一 " J , 二 ( r / 2 ) (」 P / L ) 式 ( l ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 中 , 声尸、压力差、管道长度、管道半径、径及水煤浆的屈服应力。管内的任意半由于水煤浆中添加剂的加人 , 使得煤粉颗粒在水中分散得非常均匀 , 但毕竟还是一种固液两相悬浮体 , 煤粉颗粒的运动状况也是需要了解的。在剪切流区 , 由于存在速度梯度 , 煤粉颗粒将受到一个剪切转矩的作用而发生旋转 , 如图 1 所示。速度梯度越大 , 颗粒旋转越快 ; 在塞状流区 , 速度梯度为零 , 颗粒不旋转。一 , . ’ - 呀几一一岑人一乡穿图 l 煤粉颖粒在速度梯度场中旋转 F 1 9 . 1 R o t a t i o n o f c o a l P o w d e r i n a f i e l d w i t h v e ! o c i t y g r a d i e n t 由此可见 , 在剪切流区 , 煤粉颗粒除了以整体的滑动外还附加了自身的旋转运动。根据对剪切流区颗粒的受力分析 , 转速度为〔 3 ’ : _ ` 、 . 一 . , ` _ , _ . _ _ 、 . _ _ . _ . _ ! d u ! 弓以导出做剪切雷话数 ( 允 e “ = }了 } “ 到 , ( 1 ) 时的颗粒旋矿实际水煤桨管道输送过程中 , R e 。《 1 旋转速度分布为 : = ( 1 / 2 ) F x u ( 4 ) , , 由此可以推导出水煤浆管道输送中煤粉颗粒的 d 尸厄工r 一丁 y 当『 > r , , 剪切流区 ( 5 )

W=0 当r≤rp,塞状流区 (6) 工程应用中管壁附近剪切流区的流速可平均取为1m/s,由式(5)及有关的水煤浆管内流动参数可以求得，壁面附近煤粉颗粒的旋转速度为2.7/5。综上所述，在两个流区中，水煤浆的速度、剪应力、颗粒旋转速度分布如图2所示。图2水煤浆在管中输送时的速度、剪应力和煤粒旋转速度 Fig.2 Velocity,shear stress and rotation of CwS in pipelinc transportation 弄清了水煤浆在管内的流动规律及煤粉颗粒在管壁上滑滚运动情况，下面就可以研究水煤浆输送管道的磨损过程。 2水煤浆输送管道磨损分析 2,1水浆管道磨损机理一般的磨粒磨损根据磨粒与壁面材料的接触情况可分3大类，即弹性挤压、塑性挤压和微切削破环。 (1)作用载荷在接触区产生的应力未超过材料的屈服极限时，配对体的突部材料发生弹性挤压，在这种情况下，材料的破坏只可能是摩擦疲劳所引起。 (2)当接触应力达到屈服极限，壁面材料环绕磨粒压陷突部流动时，材料发生塑性挤压。在这种情况下，磨损将由低循环磨擦疲劳所引起。 (3)当接触应力或接触变形达到破坏值（变形材料环绕突部流动的状态受到破坏）时，发生微切削。在这种情况下，磨损发生在相互作用的初期。以上8种磨损形式主要是依据接触应力的大小分类的，此外还可以用磨粒的压入深度或挤压量与磨粒的半径之比(h/r)来判别，如表1所示。表1磨粒魔损的3种类型特征 Table 1 Three kinds of wearing with abrasive particle 变形性质弹性挤压塑性挤压微切翻引起基体破坏的循环次数打-+的 10.01 >号1-：) 0 一般水煤浆厂区管道输送的输送压力为0.1~1,0MPa,长距离管道输送的输送压力为 1.0~10MPa。这样的输浆压力通过煤粒和水作用在管壁上，但这个作用力远远小于材料的屈服极限（钢材的0s约为300MP)，所以磨粒一煤颗粒与管壁的接触只能是弹性挤压。 85

当 ; 镇 : , , 塞状流区 ( 6 ) 、=0 班工程应用中管壁附近剪切流区的流速可平均取为 l m s/ , 由式 (5 ) 及有关的水煤浆管内流动参数可以求得 , 壁面附近煤粉颗粒的旋转速度为 2 . 7 r s/ 。综上所述 , 在两个流区中 , 水煤浆的速度、剪应力、颗粒旋转速度分布如图 2 所示。 {纤毖、 _ _ _ _ . _ _ _ 』一 ~ 岌 {一 ’ _ 一 ” 骂切 }比二马— 一一一一一一一勺[ _ _ _ _ _ _ l 注三上泣_ _ _ _ _ 二二7 「一一 ” ’ 一 }爷。 l }(事厂一一一一一戏 _ _ _ ` - - - 「〕一图2 水煤浆在管中输送时的速度、剪应力和煤粒旋转速度 F 1 9 . 2 v e l o c i t y , s h e a r s t t e s s a n d r o t a t i o n o f C w s 宜n P 呈P e l i n e t r a n , P o r t a t i o n 弄清了水煤浆在管内的流动规律及煤粉颗粒在管壁上滑滚运动情况 , 下面就可以研究水煤桨输送管道的磨损过程。 2 水煤浆输送管道磨损分析 2 . 1 水浆管道磨摄机理一般的磨粒磨损根据磨粒与壁面材料的接触情况可分 3 大类 , 即弹性挤压、塑性挤压和微切削破坏。 ( 1) 作用载荷在接触区产生的应力未超过材料的屈服极限时 , 配对体的突部材料发生弹性挤压 , 在这种情况下 , 材料的破坏只可能是摩擦疲劳所引起。 ( 2) 当接触应力达到屈服极限 , 壁面材料环绕磨粒压陷突部流动时 , 材料发生塑性挤压。在这种情况下 , 磨损将由低循环磨擦疲劳所引起。 ( 3) 当接触应力或接触变形达到破坏值 ( 变形材料环绕突部流动的状态受到破坏 ) 时 , 发生微切削。在这种情况下 , 磨损发生在相互作用的初期。以上 3 种磨损形式主要是依据接触应力的大小分类的 , 此外还可以用磨粒的压入深度或挤压量与磨粒的半径之比 ( h r/ ) 来判别 , 如表 1 所示。表 1 磨粒磨损的 3 种类型特征 T a b l e 1 T h r e e k i n d s o f w e a r i n g w i t h a b r a s i v e p a r t i e l e 变形性质弹性挤压塑性桥压微切削引起基体破坏的循环次数 l 0 、 0 1 * r/ > 粤( 1 一卫三~ 若 a , 一般水煤浆厂区管道输送的输送压力为。 . 1 一 1 。。M P a , 长距离管道输送的输送压力为 1 . 。一 l o M P a 。这样的输浆压力通过煤粒和水作用在管壁上 , 但这个作用力远远小于材料的屈服极限 ( 钢材的口: 约为 30 o M P “ ) , 所以磨粒— 煤颗粒与管壁的接触只能是弹性挤压

这就是水煤浆输送管道的年磨损率表达式。 2.5管道磨损模型的应用综合考虑到本文前述的水煤浆在管内的流动状态及煤颗粒在管壁上的滑滚运动特点，取 n值为10c5J。钢管的弹性模量E,远远大于煤粒的弹性模量E2(E:=210MPa,E2=6.5MPa, Y1=0.3,y2=0.2)所以综合弹性模量E接近煤粒的弹性模量，把有关数据代入式(17)可得： I:=1.65×10-12CpV,P2(4m/a) (18) 式(18)中Cm为水煤浆的浓度。对于现行的工业输浆管道，式(18)中的的参数取值范围为：Cg为60%一70%，V为 0.5一1.2m/s,P为0.5一5MPa,由此可计算得到输浆管道的年磨损率I,为0.124一 34.65um/a。可以看出，水煤浆对其输浆管道的磨损是很小的。了减少输浆管道磨损的措施 3.1控制输送压力水煤浆在管内流动，压力沿管长逐渐降低，管道前部压力高，磨损较快；后部压力低，磨损很小。管道越长，前后端的压力差越大，输浆泵的功率要求很高，而且管道前部磨损较大。对于长距离输浆管道，可以建立恰当数目的中间泵站，进行分级泵送，这样保证输浆压力不会很高，因而把磨损量控制在一定限度内。 3,2设计合理的输浆速度过去在选取管道输浆的浆体流速时，主要是控制流动阻力，从而得出了经济管径和经济流速。在磨损较大的远程高压输送时，最佳经济管径的选取不仅要使流动阻力减小，而且还应考虑到控制磨损量最小。一般来说，煤浆的管内流速控制在0,5一1.0m/s比较合理。 3.3选取最佳的输送浓度水煤浆作为一种不脱水即可直接燃用的燃料，在制备时都有一定的浓度要求，以满足各工艺过程的温度要求。但是，从磨损的角度来看，煤浆浓度越高，对管道的磨损将加重。为了控制管道磨损，煤浆只要能满足工业需要的发热量要求，其管道输送的浓度较低为好。综合考虑发热值、输送阻力及磨损问题，将长距离水煤浆管道输送的浓度控制在(62一63)%左右比较合理。 3,4提高引起材料疲劳破坏的循环次数从公式(17)可以看出，提高引起材料疲劳破坏的循环次数r可以显著地降低磨损。n值的大小主要取决于磨粒与壁面的受力情况、接触状态以及双方的材料性能。例如加人润滑剂改变磨粒与壁面间的摩擦系数，增加润滑，提高”值，进而减小磨损，这是今后值得进一步探索的问题。 88

这就是水煤浆输送管道的年磨损率表达式。 2 . 5管道磨损模型的应用综合考虑到本文前述的水煤浆在管内的流动状态及煤颗粒在管壁上的滑滚运动特点 , 取。值为 1 0 。〔弓〕。钢管的弹性模量E ,远远大于煤粒的弹性模量E Z ( E , 二 2 10 M P a , E Z = 6 . S M aP , 夕、 = 。 . 3 , 夕2 = 0 . 2) 所以综合弹性模量 E 接近煤粒的弹性模量 , 把有关数据代入式 ( 1 7 ) 可得 : I : = 1 。 6 5 x 1 0 一 1 2 C , 一厂一 P Z (声 m / a ) ( 1 8 ) 式 (1 8) 中 C 二为水煤桨的浓度。对于现行的工业输浆管道 , 式 ( 1 8 ) 中的的参数取值范围为 : C , 为 60 写一 70 % , V 为 0 . 5一1 . 2 m / s , 尸为。。 5一 S M P a , 由此可计算得到输浆管道的年磨损率 I ,为。 . 1 24 一 3 4 . 6 5声 m / a 。可以看出 , 水煤浆对其输浆管道的磨损是很小的。 3 减少输浆管道磨损的措施 3 . 1 控制输送压力水煤浆在管内流动 , 压力沿管长逐渐降低 , 管道前部压力高 , 磨损较快 ; 后部压力低 , 磨损很小。管道越长 , 前后端的压力差越大 , 输浆泵的功率要求很高 , 而且管道前部磨损较大。对于长距离输浆管道 , 可以建立恰当数目的中间泵站 , 进行分级泵送 , 这样保证输浆压力不会很高 , 因而把磨损量控制在一定限度内。 3 . 2 设计合理的输桨速度过去在选取管道输浆的浆体流速时 , 主要是控制流动阻力 , 从而得出了经济管径和经济流速。在磨损较大的远程高压输送时 , 最佳经济管径的选取不仅要使流动阻力减小 , 而且还应考虑到控制磨损量最小。 ’ 一般来说 , 煤桨的管内流速控制在 0 . 5一 1 。 o m s/ 比较合理。 3 。 3 选取最佳的输送浓度水煤浆作为一种不脱水即可直接燃用的燃料 , 在制备时都有一定的浓度要求 , 以满足各、工艺过程的温度要求。但是 , 从磨损的角度来看 , 媒浆浓度越高 , 对管道的磨损将加重。为了控制管道磨损 , 煤浆只要能满足工业需要的发热量要求 , 其管道输送的浓度较低为好。综合考虑发热值、输送阻力及磨损问题 , 将长距离水煤桨管道输送的浓度控制在 ( 62 一 63 ) % 左右比较合理。 3 . 4 提高引起材料疲劳破坏的循环次数从公式 ( 1 7) 可以看出 , 提高引起材料疲劳破坏的循环次数 n可以显著地降低磨损。。值的大小主要取决于磨粒与壁面的受力情况、接触状态以及双方的材料性能。例如加人润滑剂改变磨粒与壁面间的摩擦系数 , 增加润滑 , 提高。值 , 进而减小磨损 , 这是今后值得进一步探索的问题。妙冲