CN111102417B - 一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管，适用于气液两相流体及含易挥发介质的流体的输送领域，消除由于弯管流动反向发生改变且管道壁面内外侧曲率不协同所引起的边界层分离及二次涡流，从而降低弯管内外壁面的腐蚀程度，提高流体输送管道的使用寿命。本发明采用的技术方案如下：一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管，包括弯管管体、弯管管体两端的入口管口法兰和出口管口法兰、2～6组内螺旋翅片，所述内螺旋翅片沿着弯管管体内壁面在弯管内部从入口延伸至出口，所述内螺旋翅片为变螺距翅片，且螺距沿着流动方向呈现先减小后增大趋势。
Description
技术领域
本发明属于管道防腐技术领域，特别涉及一种流体输送管道用于实现腐蚀消减作用的近壁面带有内螺旋翅片的弯管。
背景技术
管道是炼油和化工行业实现流体输送，连接各个工艺流程，保证工艺过程正常运转的关键设备；在炼油化工生产过程中，管道输送的流体种类非常多，按照介质的状态可分为纯气相、纯液相、气液两相以及气固两相。而目前在输送气液两相或者含有易挥发组分的纯液相流体时，流体流经管道弯头位置处，由于管道弯头内外侧曲率的不协同，导致流体在弯管的内外壁面，特别是内壁面靠近出口位置发生边界层分离现象，同时由于内外侧壁压力不均一而产生的二次涡流现象，这两种现象导致弯管在内壁面靠近出口位置发生严重的空化腐蚀；因此提出一种具有腐蚀消减作用的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，对于改善弯管的腐蚀特性及提高管道的寿命都具有重要的意义。
降低管道腐蚀的措施有很多，包括添加缓蚀剂、涂层保护、更换管道材质以及阴极保护等措施，但是上述这些常用的措施还主要是针对流体输送管道中常见的化学腐蚀和电化学腐蚀所提出的，对于由于弯管流动反向发生改变且管道壁面内外侧曲率不协同引起的边界层分离及二次涡流多导致的腐蚀的消减作用不大；现有文献(专利号：ZL201410155224.X)中也提出了一种减少振动和降低气蚀的管道减震装置，主要是利用一组变升角的螺旋导流管以及双侧变升角的螺旋导流管产生旋流作用来降低管道振动和消除气蚀的，但是这种管道减震装置结构比较复杂，不适应于弯管结构，而现有文献(专利号：ZL201710392415.1、专利号：ZL201520040984.6)分别提出了用于循环泵入口的流体螺旋导流节能装置及依靠螺旋导流部件提高油气分离效率的压缩机排气管及具有这种排气管的压缩机，但是这两种装置的流动阻力损失较大，也不具有变截面导流作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管，适用于气液两相流体及含易挥发介质的流体的输送领域，消除由于弯管流动反向发生改变且管道壁面内外侧曲率不协同所引起的边界层分离及二次涡流，从而降低弯管内外壁面的腐蚀程度，提高流体输送管道的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管，包括弯管管体、弯管管体两端的入口管口法兰和出口管口法兰、2～6组内螺旋翅片，所述内螺旋翅片沿着弯管管体内壁面在弯管内部从入口延伸至出口，所述内螺旋翅片为变螺距翅片，且螺距沿着流动方向呈现先减小后增大趋势，实验数据及仿真模拟均发现，采用沿流动方向先减小后增大的变螺距翅片，较之等螺距翅片及其他变化趋势的翅片具备更优越的防腐蚀性能，分析原因认为其能够有效防止形成稳定旋涡，从而防止了空化腐蚀现象。所述内螺旋翅片通过焊接或铸造的方法连接到弯管管体内部。
所述弯管可为单弯管、U形弯管和S形弯管，弯管的两端分别与入口法兰和出口法兰连接，共同组成具有腐蚀消减作用的螺旋导流弯管；该具有腐蚀消减作用的近壁面带有内螺旋翅片的弯管可通过入口法兰和出口法兰与其他管路连接，当流体流经该弯管时，内螺旋翅片的作用使内部流体流线由弯管的同心圆转变为螺旋线方向，增加的流动过程的紊流特性，降低了流体在弯管内流动时所引起的边界层分离及二次涡流，实现了腐蚀的消减作用。
所述内螺旋翅片的宽度小于所述弯管管体内径的五分之一，所述内螺旋翅片的宽度指从弯管管体内壁面径向延伸至管体内部的径向长度，即，所述内螺旋翅片从与管道内壁面接触部分朝向管道中轴线的径向延伸部分长度小于所述弯管管体内径的五分之一，优选的，所述内螺旋翅片宽度为弯管管体内径的二十分之一，例如从弯管内壁面向里突起5～10mm，且旋转方向相同，如此设置，流体流经弯管时，所述内螺旋翅片的旋流导流作用在满足削弱弯管管体内壁面的边界层分离及二次涡流作用的同时，又能够使弯管内流体的流动阻力较小，有效减小了流动损失。
所述内螺旋翅片的厚度设置在所述内螺旋翅片宽度的三分之一至二分之一之间，所述内螺旋翅片的厚度指在内螺旋翅片断截面上与其宽度方向垂直的方向上的长度，即，所述内螺旋翅片的断截面包括沿宽度方向的两条边和大致沿厚度方向的两条边，其中沿宽度方向的两条边相互平行，而大致沿厚度方向的两条边分为与弯管内壁接触边和非接触边，其中与弯管内壁接触边大致呈与弯管内壁弧度一致的弧形边，其弧形度与弯管内壁弧形度相同或者略小于弯管内壁弧形度，从而在将内螺旋翅片焊接到弯管内壁面时防止内螺旋翅片与弯管内壁面之间因焊接材料分布不均而产生的小孔及缝隙，影响焊接稳固程度；所述非接触边优选为向弯管内部径向凸起的弧形边，我们采用数值模拟的方法分别将非接触边设计为直边、在弯管内部径向凹陷的弯曲边和向弯管内部径向凸起的弧形边三种模型，相应的数值模拟发现，所述非接触边选择为向弯管内部径向凸起的弧形边时，从弯管中轴线径向向外至弯管内壁面的流场内压力突变区域的范围缩小至相对最小的水平，有效减小了涡流。
本发明的优点在于：
1、本发明所提出的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，起消减作用的内螺旋翅片组及弯头可通过入口法兰和出口法兰与相应流体输送管道相连，避免了管道的重新设计加工，可以直接进行现场改造，使用方便；
2、通过内螺旋翅片的导流作用，使流体在流经该弯管时，内部流体流线由弯管的同心圆方向转变为螺旋线方向，增加了流动过程的紊流特性，在一定程度上降低了流体在弯管内流动时所引起的边界层分离及二次涡流，实现了腐蚀的消减作用；
3、将螺距设计为沿着流动方向呈现先减小后增大趋势，有效防止形成稳定旋涡，从而防止了空化腐蚀现象；
4、结合数值模拟方法对内螺旋翅片的断截面形状进行了细化设计，将内螺旋翅片断截面的非接触边设计为径向凸起的弧形边，在采用旋流导流消除边界层分离的同时又能够保证减少涡流的最优化设计；
5、本发明的近壁面带有内螺旋翅片的弯管安装在高压输气管线上时，能够消减气流压力的周期性波动，降低了管道振动，最终提高了流体输送管道工作过程的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明弯管结构示意图；
图2是本发明弯管剖面结构示意图；
图3是本发明内螺旋翅片断截面示意图；
图4是本发明U型管剖面结构示意图；
图5是本发明S型管剖面结构示意图；
图6是本发明管口法兰结构示意图；
图中：1—弯管管体；2—内螺旋翅片组；201—第一内螺旋翅片；202—第二内螺旋翅片；203—第三内螺旋翅片；204—第四内螺旋翅片；3—管口法兰；301—法兰面螺栓孔；4—螺旋导流U形弯管；5—螺旋导流S形弯管。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
图1是本发明弯管结构示意图，图2是本发明弯管剖面结构示意图，如图所示，本发明近壁面带有内螺旋翅片的弯管，包括弯管管体1、弯管管体两端的入口管口法兰和出口管口法兰、2～6组内螺旋翅片，例如包括第一内螺旋翅片201、第二内螺旋翅片202、第三内螺旋翅片203、第四内螺旋翅片204，所述内螺旋翅片为变螺距翅片，且螺距沿着流动方向呈现先减小后增大趋势，即第一内螺旋翅片201和第二内螺旋翅片202之间的第一螺距大于第二内螺旋翅片202和第三内螺旋翅片203之间的第二螺距，所述第二螺距又大于第三内螺旋翅片203和第四内螺旋翅片204之间的第三螺距，所述四个内螺旋翅片螺旋经过弯管部分进入到弯管管体1对的另一端的直管段时，其螺距又逐渐大于所述第三螺距。如此设计螺距变化趋势，其较之等螺距翅片及其他变化趋势的翅片具备更优越的防腐蚀性能，因为螺距的变化能够有效防止形成稳定旋涡，从而防止了空化腐蚀现象。
图3是本发明内螺旋翅片断截面示意图，所述内螺旋翅片的宽度指从弯管管体内壁面径向延伸至管体内部的径向长度，如图中b所示，所述内螺旋翅片的厚度指在内螺旋翅片断截面上与其宽度方向垂直的方向上的长度，即图中两条宽度线b之间的最短距离。所述内螺旋翅片断截面包括两条宽度线b，两条大致厚度线a、c，所述宽度线b小于所述弯管管体内径的五分之一，优选的，所述内螺旋翅片宽度为弯管管体内径的二十分之一，如此设置，流体流经弯管时，所述内螺旋翅片的旋流导流作用在满足削弱弯管管体内壁面的边界层分离及二次涡流作用的同时，又能够使弯管内流体的流动阻力较小，有效减小了流动损失；所述大致厚度线a是内螺旋翅片与弯管内壁面接触线，其弧形度与弯管内壁弧形度相同或者略小于弯管内壁弧形度，从而在将内螺旋翅片焊接到弯管内壁面时防止内螺旋翅片与弯管内壁面之间因焊接材料分布不均而产生的小孔及缝隙；所述大致厚度线c表示内螺旋翅片径向延伸进弯管内的边，其呈径向凸起的弧形边。
图4是是本发明U型管剖面结构示意图，图5是本发明S型管剖面结构示意图，如图所示，弯管还可以为螺旋导流U形弯管4或螺旋导流S形弯管5，其内部内螺旋翅片螺距也呈先减小后增大的趋势，即在入口和出口附近具有最大的螺距，在弯管中部具有最小的螺距；弯管入口管口法兰3及出口管口法兰3可安装在往复活塞式压缩机的入口管线和出口管线上，利用内螺旋翅片的导流作用，提高输送介质的紊流特性，消减气体输送管路中气流压力的周期性波动性，起到减振的作用。
图6是本发明管口法兰结构示意图，如图所示，管口法兰3上周向阵列多个法兰面螺栓孔301，例如4个或6个(图中示出了4个)，以将弯管与压缩机管线螺栓连接在一起。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种近壁面带有内螺旋翅片的弯管，其特征在于，包括弯管管体、弯管管体两端的入口管口法兰和出口管口法兰、2～6组内螺旋翅片，所述内螺旋翅片沿着弯管管体内壁面在弯管内部从入口延伸至出口；
所述内螺旋翅片为变螺距翅片，螺距沿着流动方向呈现先减小后增大趋势；
所述内螺旋翅片的断截面上远离所述弯管管体内壁面的非接触边呈向弯管内部径向凸起的弧形边。
2.根据权利要求1所述的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，其特征还在于，所述内螺旋翅片通过焊接或铸造的方法连接到弯管管体内部。
3.根据权利要求1所述的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，其特征还在于，所述弯管为单弯管、U形弯管或S形弯管。
4.根据权利要求1-3任一项所述的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，其特征还在于，弯管的两端分别与入口管口法兰和出口管口法兰连接，所述入口管口法兰连接往复活塞式压缩机入口管线，所述出口管口法兰连接往复活塞式压缩机出口管线。
5.根据权利要求1所述的近壁面带有内螺旋翅片的弯管，其特征还在于，所述内螺旋翅片从与管道内壁面接触部分朝向管道中轴线的径向延伸部分长度小于所述弯管管体内径的五分之一。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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