球形弯头和直管的冲蚀磨损研究

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针对矿浆输送过程中管路系统常见的冲蚀磨损问题,本文分别对管路弯头和直管进行了结构改进,并对其耐磨性能进行了模拟及试验研究。普通弧形弯头易被冲蚀磨穿,提出一种球形弯头结构,并对比研究了两种弯头的内部流场分布和磨损规律。研究了直管道在不同速度、浓度、粒度进料作用下的磨损规律,提出一种增加耐磨内衬和直管道换边的方法,从而可以有效延长管道的使用寿命。本课题研究可以为解决矿浆输送管路系统中弧形弯头和直管易磨损、寿命短的问题提供理论依据,具有降低生产成本工程推广应用价值。  采用DPM Erosion模型,利用FLUENT14.5软件对管路弯头和直管的内部流场和磨损规律进行了数值模拟。计算结果表明:弧形弯头的弯管外侧和出口直管段的外侧,高速的大粒度固相颗粒密集分布,这些区域的磨损最严重,而球形弯头的进、出口直管段与球体相接处,由于受高速大颗粒的冲击作用,磨损较严重。比较可知,弧形弯头的最大磨损率是球形弯头的4~5倍。此外,研究了进料速度、浓度和粒度对直管道磨损的影响规律。结论表明,不同工况下,直管磨损最严重的部位均处于管道底部。磨损率随速度的增大而明显增大,且随着速度增大,其增长幅度越大。磨损率随进料浓度的增大而增大,当浓度增加到一定值时磨损率不增反降,该浓度为对应最大磨损率的“危点浓度”。磨损率随粒度的增大而增大,对应的磨损率的增长幅度小。  在数值模拟结论的基础上,进一步开展了管路弯头及直管的耐磨性能试验研究。采用3D打印技术分别制备了弧形弯头和球形弯头,对比分析了两种弯头的磨损特点,以平均磨损率为评价指标,测试了两种弯头不同位置的磨损规律,试验结果与数值模拟吻合良好。通过直管冲蚀磨损试验得到速度、浓度对磨损率的影响规律,验证了数值模拟的准确性。此外,数值模拟中DPM Erosion模型只适合计算质量浓度低于22%的物料对管道的冲蚀磨损,本文根据试验数据拟合了质量浓度为25%~45%磨损率与矿浆浓度的关系曲线,弥补了该模型的使用局限。  为进一步改善球形弯头的耐磨性能,提出为其添加聚氨酯内衬并设计了内衬成型模具和工艺。为了改善直管的耐磨性能,提出在直管道内、外表面添加耐磨涂层,设计了直管道无模浇注工艺;针对直管底部易磨损的问题,还提出了一种管道换边的方法,工程应用表明,管道使用寿命可提高3~4倍。
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