CN102564934A - 旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置。变频电机安装于钟形罩上端，搅拌轴从下至上穿过下、上安装板经联轴器与变频电机轴头相联，搅拌轴末端穿过转盘，八个试件均布安装在转盘边缘上间隔开设的八个开口槽内；上、下安装板之间通过联接套筒焊接，装有流体介质的浆料罐与下安装板联接固定；搅拌叶片与水平面呈15°角均布固定在转盘内。本发明利用变频电机产生不同转速实现不同材质的冲刷磨损特性测试，获得冲蚀磨损速率与材质特性、转速、冲击角度等变量之间的函数关系，可为工程实际管道的冲刷磨损预测提供重要数据支撑，适用于石油化工、煤化工领域多相流管道及阀门等管配件的冲刷磨损预测、优化设计等安全保障技术研究。

Description

旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置

技术领域

本发明涉及一种冲刷磨损试验装置，具体地说是涉及用于工业生产中的一种旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置。

背景技术

流体管道是在一定压力下运输流体的特种设备。随着经济的发展，流体管道已成为与公路、铁路、水运和航空并列的五大运输方式之一，广泛运用于原油、天然气、自来水、城市液化气以及流程工业领域中各种流体物料的输送。

研究发现：管道失效的形式多样，机理复杂，如材料缺陷、腐蚀、磨损、外力破坏等，其中冲刷磨损破坏引起的磨损失效是管道系统中最广泛也是最常见的破坏形式。冲刷磨损破坏具有明显的局部性、突发性、和风险性，特别在含水、腐蚀性、多相流介质流动作用下引起的冲刷磨损穿孔更是复杂，很难预测它的发生，已成为困扰流体管道安全运行的关键技术问题。

近年来，国家大力推行煤化工产业，生产洁净能源，实现石油替代的发展战略。在煤化工领域，多相流的组成十分复杂，既有以氢气为主的气相，也有由未反应的煤、矿物质及催化剂组成的固相，同时还有由轻油（粗汽油）、中油等馏分油及重油组成的液相，由此造成的煤化工业管道及阀门等的冲刷磨损失效较为常见，管道结焦与冲刷磨损失效的事故日益突出，已成为严重制约煤化工装置安全、稳定、长周期运行的主要障碍，若不采取相应的技术措施和对策，我国煤炼油行业将会面临越来越严重的设备失效及装置的安全问题。

针对液固两相流体系的冲刷磨损问题，国内外学者先前已进行了大量的多相流冲刷磨损失效的相关研究，例如加州大学伯克利分校Lawrence实验室、日本Tokyo大学、瑞典Uppsala大学、美国俄亥俄大学等机构针对多相流磨损问题开展了大量的研究，但遗憾的是还未形成一套可靠的冲刷磨损试验装置测试煤化工领域含固体颗粒的材质磨损速率，无法准确预测和科学评估煤化工过程中管道、管配件及阀门等易发生磨损的失效区域和磨损的破坏程度。

发明内容

针对国内外液固两相流冲刷磨损试验装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，适合于液固两相流条件下冲刷磨损机理、流体动力学的数值计算、冲刷磨损失效预测和寿命评估等完整性评价研究。本试验装置可模拟工业环境中的实际工况条件，测试不同材质、不同转速、不同腐蚀性介质浓度的冲刷磨损速率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括浆料罐，下安装板，上安装板，深沟球轴承，转盘，试件安装板，八个试件，搅拌叶片，联接套筒，搅拌轴，角接触球轴承，钟形罩，变频电机，梅花形弹性联轴器，堵头，变频器；变频器与变频电机相联；变频电机安装于钟形罩上端，钟形罩下端固定在上安装板上，钟形罩与上安装板同轴安装；搅拌轴从下至上分别穿过安装在下安装板下端中心圆槽内的角接触球轴承和安装在上安装板上端中心圆槽内的深沟球轴承，搅拌轴轴头经梅花形弹性联轴器与变频电机轴头相联，搅拌轴末端穿过转盘，转盘与搅拌轴末端用两个锁紧螺母固定，穿过上安装板的搅拌轴轴上部与深沟球轴承安装有紧固螺母，深沟球轴承上部安装深沟球轴承盖板并通过螺钉与上安装板固定；八个试件均布安装在转盘边缘上间隔开设的八个开口槽内；支撑架上端与上安装板固接，支撑架下端与地面固定；上安装板和下安装板之间通过联接套筒焊接，装有流体介质的浆料罐与下安装板联接固定，浆料罐中心正下端与堵头联接；搅拌叶片与水平面呈15°角，通过螺钉联接均布固定在转盘内。

所述的转盘的边缘上间隔45°开设八个开口槽，其中沿逆时针径向0°、45°、135°、180°、225°、315°位置朝向缺口的侧面与转盘切向方向的锐角分别呈0°、60°、30°、0°、45°、15°，六个试件分别嵌入各自试件安装板的凹槽内并与试件盖板侧面贴合，六个内六角螺钉依次穿过各自试件盖板、试件和试件安装板与朝向缺口的转盘开口槽侧面固定；沿转盘逆时针径向90°、270°位置朝向缺口的侧面与转盘切向方向的锐角分别呈75°、90°，另外两个试件分别嵌入各自试件安装板的凹槽内并与试件盖板的侧面贴合，试件安装架侧面铣出的圆柱体依次穿过试件盖板、试件、试件安装板的下端中心孔通过内六角螺钉与转盘开口槽底面固定。

所述的角接触球轴承，深沟球轴承分别用角接触球轴承盖板和深沟球轴承盖板通过螺钉与下安装板和上安装板固定；搅拌轴与角接触球轴承盖板运用第一水封密封；搅拌轴与上安装板的下部，搅拌轴与下安装板的上部分别运用第二水封、第三水封密封；角接触球轴承盖板与搅拌轴之间设置第二高速防尘圈，搅拌轴与下安装板上部设置第一高速防尘圈。

所述的试件高度为35~40 mm，宽度为20~25 mm，厚度为1~2 mm，伸出试件安装盖板上表面10~15 mm。

所述的流体介质为油煤浆、水煤浆或水砂浆。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用变频电机产生不同转速实现不同材质的冲刷磨损特性测试，获得的冲蚀磨损速率与材质特性、转速、冲击角度等变量之间的函数关系，可为工程实际管道的冲刷磨损预测提供重要数据支撑，适用于石油化工、煤化工领域多相流管道及阀门等管配件的冲刷磨损预测、优化设计等安全保障技术研究。另外，本发明结构简单，易于推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中转盘18的俯视图。

图3是图2中IV的放大图。

图4是图2中C-C剖视图。

图5是图2中V的俯视放大图。

图6是图1中B-B剖面图。

图7是图1中I的放大图。

图8是图1中Ⅱ的放大图。

图中：1、变频电机，2、钟形罩，3、梅花形弹性联轴器，4、深沟球轴承，5、深沟球轴承盖板，6、上安装板，7、支撑架，8、联接套筒，9、搅拌轴，10、第一高速防尘圈，11、角接触球轴承，12、下安装板，13、角接触球轴承盖板，14、第二高速防尘圈，15、浆料罐，16、试件安装板，17、试件，18、转盘，19、搅拌叶片，20、堵头，21、变频器，22、流体介质, 23、第一水封，24、第三水封，25、第二水封，26、试件盖板，27、试件安装架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括浆料罐15，下安装板12，上安装板6，深沟球轴承4，转盘18，试件安装板16，八个试件17，搅拌叶片19，联接套筒8，搅拌轴9，第一高速防尘圈10，第二高速防尘圈14，角接触球轴承11，角接触球轴承盖板13，钟形罩2，变频电机1，梅花形弹性联轴器3，堵头20，变频器21，流体介质22，第一水封23，第二水封25，第三水封24；变频器21与变频电机1通过电缆相联接，变频电机1经四个均布的螺栓联接立式固定安装于钟形罩2上端，钟形罩2下端通过四个均布的螺栓连接固定在上安装板6上，钟形罩2与上安装板同轴安装，且钟形罩2半径为上安装板6半径的2/5；搅拌轴9从下至上分别穿过安装在下安装板12下端中心圆槽内的角接触球轴承11和安装在上安装板6上端中心圆槽内的深沟球轴承4，角接触球轴承11与深沟球轴承4分别用角接触球轴承盖板13和深沟球轴承盖板5通过螺钉与下安装板12和上安装板6固定；搅拌轴9轴头经梅花形弹性联轴器3通过平键与变频电机1轴头相联，搅拌轴9末端穿过转盘18，转盘18与搅拌轴9的末端经平键联接并用两个锁紧螺母固定；穿过上安装板6的搅拌轴9的上部与深沟球轴承间安装有紧固螺母；八个试件17均布安装在转盘18边缘上间隔开设的八个开口槽内；支撑架7上端通过四个螺栓与上安装板联接固定，支撑架7下端支脚处通过地脚螺栓与地面固定；上安装板6和下安装板12之间通过联接套筒8焊接相联，装有流体介质22的浆料罐15经四个均布的螺栓与下安装板12联接固定；浆料罐15中心正下端设置流体介质排放口，并用堵头20联接；搅拌叶片19与水平面呈15°角，通过螺钉固定在转盘18内。

如图2所示为转盘18的俯视图。转盘18的边缘上间隔45°开设八个开口槽，其中沿逆时针方向径向0°、45°、135°、180°、225°、315°共六个位置朝向缺口的侧面与该位置转盘切向方向的锐角分别为0°、60°、30°、0°、45°、15°，六个试件17分别嵌入各自试件安装板16的凹槽内并与试件盖板26侧面贴合，六个内六角螺钉依次穿过各自试件盖板26、试件17和试件安装板16与朝向缺口的转盘开口槽侧面固定；沿逆时针方向径向90°、270°共两个位置朝向缺口的侧面与该位置转盘切向方向的锐角分别为75°、90°，另外两个试件17分别嵌入各自的试件安装板16的凹槽内并与试件盖板26的侧面贴合，试件安装架27侧面铣出的圆柱体依次穿过试件盖板26、试件17、试件安装板16的下端中心孔，构成一个整体后，内六角螺钉穿过试件安装架27上表面与转盘开口槽的底面固定。

如图3所示为图2中IV的放大图。该种结构是指沿转盘逆时针方向径向0°、45°、135°、180°、225°、315°六个位置朝向缺口的侧面，试件安装放大图。试件17嵌入试件安装板16的凹槽内，并与试件盖板26侧面贴合；试件规格为高度为35~40 mm，宽度为20~25 mm，厚度为1~2 mm，试件17下端开设中心孔，安装过程中需保证试件高出试件安装盖板26上表面10~15 mm。然后内六角螺钉依次穿过试件盖板26、试件17和试件安装板16与朝向缺口的转盘18开口槽侧面固定。

如图4、图5所示，分别为图2中C-C剖视图和V的俯视放大图，该结构是指沿转盘18逆时针方向径向90°、270°两个位置朝向缺口的C-C剖视图和俯视放大图。试件17嵌入试件安装板16的凹槽内，并与试件盖板26侧面贴合。该结构与其余六个试件的安装结构不同之处在于：试件17、试件安装板16、试件盖板26下端开设中心孔，其中孔径与前面所述6个试件相同，试件安装架27侧面铣出的圆柱体依次穿过试件盖板26、试件17和试件安装板16的中心孔构成一个整体，内六角螺钉穿过试件安装架27上表面与转盘18开口槽底面固定。试件的规格与前述6个相同，安装时高出试件安装盖板26上表面10~15 mm。

如图6所示，为图1中B-B的剖面图。四个搅拌叶片19与水平面呈15°角，通过螺钉均布固定在转盘18内。

如图7所示，为图1中Ⅰ的放大图，角接触球轴承11下部设置角接触球轴承盖板13并通过螺钉与下安装板12固定，搅拌轴9与角接触球轴承13运用第一水封23密封，搅拌轴9与下安装板12的上部运用第三水封24密封；角接触球轴承盖板13与搅拌轴9之间设置第二高速防尘圈14，搅拌轴9与下安装板12上部设置第一高速防尘圈10。

如图8所示，为图1中Ⅱ的放大图，深沟球轴承4上部设置深沟球轴承盖板5并通过螺钉与上安装板6固定，搅拌轴与上安装板6的下部运用第二水封25密封。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，安装好液固两相流冲刷磨损试验装置，实验开始阶段，将浆料罐15置于叉车上，把配好的一定浓度的流体介质22，例如水煤浆、油煤浆或水砂浆等，倒入浆料罐15内；根据实验方案选取制作好编号的八个试件17表面用酒精擦拭干净，通过电子天平对其分别五次秤重记录下原始重量，计算平均值                                               

后；将75°和90°冲角试件17通过试件安装板16、试件盖板26、试件安装架27，15°～60°冲角试件17通过试件安装板16、试件盖板26，分别用内六角螺钉安装固定在转盘18上；然后，用叉车托起浆料罐15，并用定位销对准与下安装板12的安装位置后，通过均布的四个螺栓将其固定；先后起动变频电机1的风扇开关和变频器21的开关，通过变频器21调节变频电机1达到实验所需要的转速，变频电机1的转速可从0调节到1450 r/min，待固定转速达到实验所要求的时间后，通过变频器21降下变频电机1的转速直至为零后分别关掉变频器21和变频电机1的风扇开关；然后，拧下托在叉车上的浆料罐15与下安装板12的固定螺栓，降下叉车，用适量的清水清洗转盘18和试件安装板16上的固体颗粒，取出试件17用清水和酒精清洗后擦干，再次通过电子天平对八个试件17分别称重五次记录下实验后的重量，计算平均值

，通过即为试件17的失重量

。本实验定义的试件17，其材质可分别为碳钢、有色金属、硬质合金或其它高性能耐磨材料，磨损率

定义为单位时间单位面积内试件的失重量

，磨损时间为实验一个工况的磨损时间

，面积为试件17的测试面的面积

，为减小实验误差，试件17除测试面以外其它表面都镀耐磨材料，磨损率即可表示为：

在不同的实验工况测试时，可分别改变变频电机1的转速

，试件17的角度

和磨损时间 、流体介质22的浓度、液体的密度

、固体颗粒的形状因子

、固体颗粒的粒径

，建立不同影响因素与磨损率之间的函数关系式，即磨损率表示为：

上式中，

表示试验误差修正系数，表示磨损率

与各影响因素

的函数关系式。试验完成后，根据所得数据进行后续处理，重复多次试验可得到液固两相流冲刷磨损的相关规律。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：包括浆料罐（15），下安装板（12），上安装板（6），深沟球轴承（4），转盘（18），试件安装板（16），八个试件（17），搅拌叶片（19），联接套筒（8），搅拌轴（9），角接触球轴承（11），钟形罩（2），变频电机（1），梅花形弹性联轴器（3），堵头（20），变频器（21）；变频器（21）与变频电机（1）相联；变频电机（1）安装于钟形罩（2）上端，钟形罩（2）下端固定在上安装板（6）上，钟形罩（2）与上安装板同轴安装；搅拌轴（9）从下至上分别穿过安装在下安装板（12）下端中心圆槽内的角接触球轴承（11）和安装在上安装板（6）上端中心圆槽内的深沟球轴承（4），搅拌轴（9）轴头经梅花形弹性联轴器（3）与变频电机（1）轴头相联，搅拌轴（9）末端穿过转盘（18），转盘（18）与搅拌轴（9）末端用两个锁紧螺母固定，穿过上安装板（6）的搅拌轴（9）轴上部与深沟球轴承（4）安装有紧固螺母，深沟球轴承（4）上部安装深沟球轴承盖板（5）并通过螺钉与上安装板（6）固定；八个试件（17）均布安装在转盘（18）边缘上间隔开设的八个开口槽内；支撑架（7）上端与上安装板（6）固接，支撑架（7）下端与地面固定；上安装板（6）和下安装板（12）之间通过联接套筒（8）焊接，装有流体介质（22）的浆料罐（15）与下安装板（12）联接固定，浆料罐（15）中心正下端与堵头（20）联接；搅拌叶片（19）与水平面呈15°角，通过螺钉联接均布固定在转盘（18）内。

2.根据权利要求1所述的旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的转盘（18）的边缘上间隔45°开设八个开口槽，其中沿逆时针径向0°、45°、135°、180°、225°、315°位置朝向缺口的侧面与转盘切向方向的锐角分别呈0°、60°、30°、0°、45°、15°，六个试件（17）分别嵌入各自试件安装板（16）的凹槽内并与试件盖板（26）侧面贴合，六个内六角螺钉依次穿过各自试件盖板（26）、试件（17）和试件安装板（16）与朝向缺口的转盘开口槽侧面固定；沿转盘（18）逆时针径向90°、270°位置朝向缺口的侧面与转盘切向方向的锐角分别呈75°、90°，另外两个试件（17）分别嵌入各自试件安装板（16）的凹槽内并与试件盖板（26）的侧面贴合，试件安装架（27）侧面铣出的圆柱体依次穿过试件盖板（26）、试件（17）、试件安装板（16）的下端中心孔通过内六角螺钉与转盘（18）开口槽底面固定。

3.根据权利要求1所述的旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的角接触球轴承（11），深沟球轴承（4）分别用角接触球轴承盖板（13）和深沟球轴承盖板（5）通过螺钉与下安装板（12）和上安装板（6）固定；搅拌轴（9）与角接触球轴承盖板（13）运用第一水封（23）密封；搅拌轴（9）与上安装板（6）的下部，搅拌轴（9）与下安装板（12）的上部分别运用第二水封（25）、第三水封（24）密封；角接触球轴承盖板（13）与搅拌轴（9）之间设置第二高速防尘圈（14），搅拌轴（9）与下安装板（12）上部设置第一高速防尘圈（10）。

4.根据权利要求1所述的旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的试件（17）高度为35~40 mm，宽度为20~25 mm，厚度为1~2 mm，伸出试件安装盖板（26）上表面10~15 mm。

5.根据权利要求1所述的旋转式液固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的流体介质（22）为油煤浆、水煤浆或水砂浆。

Images