高壓水除鱗氣動(dòng)管路的發(fā)熱分析與改進(jìn)

劉彥川，張韞韜，雷亞勇

(秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北秦皇島066326)

高壓水除鱗系統(tǒng)的工作原理是利用高壓水噴出時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力和沖刷力，基體材料和氧化鐵皮層因冷卻收縮率不同而產(chǎn)生剪切力，水滲入基體材料和氧化鐵皮之間產(chǎn)生蒸汽膨脹爆裂，在鋼坯表面形成類似切削、爆破的效果，使氧化鐵皮破碎成小碎片并與鋼坯表面迅速脫離，按設(shè)定方向沖掉氧化鐵皮。

某公司4 300 mm 一期高壓水除鱗系統(tǒng)由營(yíng)口流體集團(tuán)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 高壓水除鱗系統(tǒng)示意圖

自投產(chǎn)以來，與壓力容器——?dú)馑尴噙B接的管道表面溫度有時(shí)高達(dá)70 ℃左右，遠(yuǎn)高于壓力容器的出廠溫度最高值50 ℃，如圖2 所示。

圖2 與氣水罐連接的氣動(dòng)管路

長(zhǎng)期高溫使用，壓力容器的強(qiáng)度將下降，容易發(fā)生蠕變現(xiàn)象，加劇壓力容器內(nèi)部防腐材料的剝落及內(nèi)部的腐蝕，一定條件下會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，直接影響到氣水罐的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生高壓泄漏，影響人生安全。

更換一個(gè)壓力容器，需要13 天左右完成吊裝、安裝、管路焊接、補(bǔ)氣過程，備件費(fèi)用高達(dá)80 萬(wàn)元。對(duì)于寬厚板生產(chǎn)線而言，壓力容器能否按照周期正常使用，直接關(guān)系到安全生產(chǎn)，影響到鋼板產(chǎn)量和質(zhì)量。因此對(duì)氣動(dòng)管路內(nèi)部壓縮空氣過度發(fā)熱問題進(jìn)行定量分析，提出具體的改進(jìn)措施具有重大意義，為二期配套完善工程項(xiàng)目提供具有理論意義的指導(dǎo)方案。

1 高壓水除鱗系統(tǒng)的原理及設(shè)備參數(shù)

1.1 除鱗系統(tǒng)工作原理

如圖1 所示，除鱗蓄勢(shì)罐組是由1 個(gè)10 m3的氣水罐、2 個(gè)10 m3的氣罐組成。氣水罐的最高工作壓力為19.5 MPa，最低工作壓力為16 MPa。除鱗泵升降速由氣水罐壓力上、下限對(duì)耦合器進(jìn)行控制。鋼坯經(jīng)過一次除鱗箱時(shí)，1 號(hào)噴射閥組打開，高壓水噴射在鋼坯上進(jìn)行一次除鱗，鋼坯離開除鱗箱咬入軋輥前，2 號(hào)噴射閥組打開，高壓水對(duì)鋼坯進(jìn)行二次除鱗。氣水罐壓力在除鱗過程中迅速下降，當(dāng)壓力降到下限時(shí)，耦合器的調(diào)速裝置——操作勺管徑向縮回，增加殼體內(nèi)的油環(huán)厚度，即增加工作腔中的油量，耦合器輸出轉(zhuǎn)速提高，除鱗泵在耦合器控制下升速運(yùn)行，向氣水罐補(bǔ)充高壓除鱗水。當(dāng)氣水罐壓力達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，耦合器的調(diào)速裝置——操作勺管徑向伸進(jìn)，減小殼體內(nèi)的油環(huán)厚度，即減小工作腔中的油量，耦合器輸出轉(zhuǎn)速降低，使除鱗泵在耦合器控制下降速運(yùn)行，等待下一個(gè)除鱗周期。

1.2 除鱗系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

氣水罐的壓縮空氣是靠2 個(gè)氣罐提供，當(dāng)磁浮子液位計(jì)的顯示達(dá)到5 水位時(shí)(即5.6 m 時(shí)) ，空壓機(jī)對(duì)氣罐進(jìn)行補(bǔ)氣。2 個(gè)氣罐連接蓄勢(shì)器之間的管道為內(nèi)徑65 mm 的無縫鋼管。高壓氣罐設(shè)備參數(shù)見表1，一次除鱗設(shè)備參數(shù)見表2，高壓離心泵參數(shù)見表3。

表1 高壓氣罐設(shè)備參數(shù)

表2 一次除鱗設(shè)備參數(shù)

表3 高壓離心泵參數(shù)

三通氣閘閥通徑為DN65 mm，管路具體參數(shù)如表4 所示。

表4 管路參數(shù) mm

2 氣動(dòng)管道的流速與溫度分析

2.1 管道流速分析

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，壓縮空氣在管路流動(dòng)過程中，壓力損失是引起管壁溫度變化的主要原因。文中分析的對(duì)象是1 號(hào)氣閘閥與氣水罐入口之間的一段垂直管路，該管路壓降變化表現(xiàn)在噴射閥組打開，對(duì)鋼坯進(jìn)行除鱗的過程中。除鱗過程中，當(dāng)氣水罐內(nèi)部的水壓低于某一值時(shí)，除鱗泵和氣水罐同時(shí)供水。由于一次除鱗和二次除鱗的用水量不同，所以文中主要分析用水量最大的一次除鱗過程。

鋼坯通過一次除鱗箱時(shí)，從開始除鱗到除鱗結(jié)束，大約為7 s 左右，在除鱗泄壓過程中，氣罐中的壓縮空氣向氣水罐迅速流動(dòng)。按照設(shè)計(jì)要求，氣水罐的壓力范圍為: pmax=19.5 MPa，pmin=16 MPa。

氣水罐釋放壓力的過程如圖3 所示。

圖3 氣水罐泄壓過程

p1= 19.5 MPa，p2= 16 MPa，V1= 1.739 2 m3(氣水罐5 水位時(shí)的容積參數(shù))

假定在除鱗降壓過程中，氣水罐從高水位開始供水，則整個(gè)過程分兩部分解體考慮: 當(dāng)氣水罐壓力由19.5 MPa 下降到16 MPa 時(shí)，內(nèi)部體積先做等熵變化; 氣罐向氣水罐補(bǔ)氣時(shí)，氣體體積再一次做等熵變化［2］，氣壓由19.5 MPa 降到16 MPa。

第一個(gè)等熵變化過程:

p2=16 MPa，則V2=1.962 3 m3(V2為氣水罐內(nèi)部體積做等熵變化后膨脹的體積) 。

氣水罐在7 s 內(nèi)供水量為V排=Q·t=280 m3/h·7 s=1.08 m3，則氣水罐在除鱗完畢，水位下降后的氣體體積V3為:

則: V3=1.08 +1.739 2－1.962 3 =0.86 m3

補(bǔ)入氣體體積第二個(gè)等熵變化過程:

則: V補(bǔ)=0.746 6 m3

由此計(jì)算出7 s 內(nèi)，管道AB 段內(nèi)徑D =65 mm時(shí)，氣體流速v1為:

根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，車間內(nèi)管道的壓縮空氣流速一般取v=10 ～15 m/s［1］，由此可見，氣水罐在工作過程中，氣動(dòng)管道內(nèi)部氣流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工程設(shè)計(jì)極限，因此可判斷原除鱗氣動(dòng)管路存在設(shè)計(jì)問題。

由式(3) 可以看出: 在現(xiàn)有工況不變的情況下，增大氣體流動(dòng)面積，可有效減少管道內(nèi)部的氣流速度。

4 300mm 一期項(xiàng)目投產(chǎn)之初，國(guó)內(nèi)高壓氣閘閥的最大通徑為DN65 mm，營(yíng)口流體設(shè)計(jì)的氣動(dòng)管路的尺寸為φ89 mm ×12 mm，與氣水罐外接管路尺寸φ102 mm×18 mm，基本實(shí)現(xiàn)等徑連接，接頭處的壓力損失基本為0。

根據(jù)韋斯巴赫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣水罐外接管路尺寸φ102 mm×18 mm 保持不變，氣動(dòng)管路AB 段內(nèi)徑過大，節(jié)流作用帶來的壓力損失將會(huì)影響到氣罐給氣水罐正常補(bǔ)壓。因此，選取合理的氣動(dòng)管路內(nèi)徑，最大程度降低因增粗管路帶來的壓力損失，是解決目前問題的關(guān)鍵因素。

若按照工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，氣流速度采用最高值15 m/s，氣體體積流量不變，則氣體管道內(nèi)徑D≈95 mm; 氣流速度采用最低值10 m/s 時(shí)，則氣體管道內(nèi)徑D≈116 mm。

因此合理的氣動(dòng)管道內(nèi)徑D 應(yīng)該為:

為保證選取的管道內(nèi)徑既能降低氣流速度，又能減少壓力損失，文中選取該范圍的中間數(shù): D =105 mm，通過溫度分析，進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)徑。

由此可見，合理選取管道內(nèi)徑是降低氣體流速、減小壓力損失的方案之一。

2.2 管道內(nèi)部溫度分析

增粗管道內(nèi)徑后對(duì)氣動(dòng)管道溫度變化的具體影響，以及選取的管道內(nèi)徑D =105 mm 能否滿足壓力容器的設(shè)計(jì)溫度值是文中研究的關(guān)鍵問題。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，管道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的換熱分析與一系列涉及流動(dòng)及換熱的條件有關(guān)。對(duì)高壓水除鱗氣動(dòng)管路內(nèi)部氣流的溫度分析，首先需要對(duì)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷。在流體力學(xué)界，有層流與湍流之分，其分界點(diǎn)的臨界雷諾數(shù)Re=2 300。Re ＜2 300 為層流區(qū)，Re＞10 000 為旺盛湍流區(qū)，而一般認(rèn)為2 300 ＜Re ＜10 000 的范圍是過渡區(qū)［3］。

2.2.1 層流換熱

對(duì)于管內(nèi)層流換熱，一般采用齊德－泰勒公式來計(jì)算長(zhǎng)度為l 的管道的平均Nu 數(shù)［3］:

式中: Nu 為努塞爾數(shù)，反映壁面上流體的量綱為一的溫度梯度;

Re 為雷諾數(shù);

l 為管道特征長(zhǎng)度;

d 為管道內(nèi)徑;

ηf為按流體平均溫度計(jì)算的流體動(dòng)力黏度;

ηw為按流體壁面溫度計(jì)算的流體動(dòng)力黏度;

Pr 為普朗特?cái)?shù)，反映流體中動(dòng)量擴(kuò)散與熱擴(kuò)散能力的對(duì)比。

2.2.2 湍流換熱

對(duì)于管內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流換熱，使用最廣的關(guān)聯(lián)式為迪圖斯－貝爾特(Dittus－Boelter) 公式［3］:

式中: Nu 為努塞爾數(shù)，量綱為一;

Re 為雷諾數(shù);

加熱流體時(shí)，n=0.4;

Pr 為普朗特?cái)?shù)，反映流體中動(dòng)量擴(kuò)散與熱擴(kuò)散能力的對(duì)比。

設(shè)定2 個(gè)氣罐的壓縮空氣匯合到1 號(hào)三通氣閘閥時(shí)，溫度為T1，經(jīng)過管道AB 段后，氣體溫度為T2。按照氣罐的設(shè)計(jì)要求，T2≤50 ℃。

根據(jù)氣動(dòng)管路內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài)，選擇合理的換熱關(guān)聯(lián)式，計(jì)算出管道內(nèi)表面的傳熱系數(shù)，由此可分析出管道內(nèi)徑變化時(shí)，其內(nèi)壁表面溫度的動(dòng)態(tài)變化差距。設(shè)定文中研究的壓縮空氣在經(jīng)過管路AB 段前后，平均溫度為50 ℃左右，由文獻(xiàn)［3］附錄查詢氣體在50 ℃時(shí)的相關(guān)參數(shù)如表5 所示。

表5 文中研究氣體的相關(guān)參數(shù)

2.2.2.1 管道內(nèi)徑D=65 mm 的傳熱系數(shù)

式中: v 為管路內(nèi)部流速;

d 為管道內(nèi)徑;

νf為運(yùn)動(dòng)黏度。

此時(shí)氣體流動(dòng)狀態(tài)處于旺盛湍流區(qū)，湍流切應(yīng)力(雷諾應(yīng)力) 使得氣流溫度升高較快，計(jì)算該直徑大小內(nèi)壓縮空氣的傳熱系數(shù)應(yīng)采用關(guān)聯(lián)式(5) ，由此得出:

2.2.2.2 管道內(nèi)徑D=105 mm 的傳熱系數(shù)

此時(shí)氣體流動(dòng)狀態(tài)也處于旺盛湍流區(qū)，計(jì)算該直徑大小內(nèi)壓縮空氣的傳熱系數(shù)同樣采用關(guān)聯(lián)式(5) ，由此得出:

2.2.3 三通氣閘閥前后溫差變化

管道BC、CD 段內(nèi)徑為90 mm，氣罐到氣閘閥的管道內(nèi)徑為65 mm，DN65 mm 的氣閘閥開口度達(dá)到最大。因此，在氣水罐補(bǔ)氣過程中，壓縮空氣經(jīng)過3號(hào)氣閘閥，在CD 段流動(dòng)時(shí)是一個(gè)擴(kuò)張段形式，氣體在這段管路中是體積膨脹的過程，對(duì)氣流溫度影響較小。氣體從CD 段管道流向2 號(hào)氣閘閥時(shí)，是一個(gè)節(jié)流過程，這個(gè)過程氣流不做功，由于局部受阻，會(huì)有壓力降產(chǎn)生。節(jié)流過程認(rèn)為是絕熱，但有摩擦，所以節(jié)流過程可以看作是一個(gè)絕熱熵增過程，節(jié)流前后的焓近似不變，所以節(jié)流前后溫度變化不大。

因此，在氣動(dòng)管路的內(nèi)徑變化時(shí)，氣體從氣罐開始給氣水罐補(bǔ)氣的過程中，經(jīng)過1 號(hào)氣閘閥的出口溫度T1相同，管道內(nèi)壁溫度與氣體平均溫度差也保持不變，則由熱平衡方程式可計(jì)算出內(nèi)徑改變前后管路內(nèi)壁表面溫度的動(dòng)態(tài)變化差距。

氣流管道的熱平衡方程［3］為:

式中: ΔT 為管道內(nèi)壁溫度與氣體平均溫度差;

A1為一定長(zhǎng)度管道的內(nèi)表面面積(A1=π·D·L) ;

D 為管道內(nèi)徑;

L 為管道長(zhǎng)度;

A 為管道橫截面積;

T2為氣動(dòng)管路出口溫度;

T1為氣動(dòng)管路入口溫度;

CP為比熱系數(shù)。

根據(jù)前面小節(jié)計(jì)算的傳熱系數(shù)，由熱平衡方程關(guān)聯(lián)式(6) 可得:

管路內(nèi)徑D=65 mm 時(shí)，氣流出口溫度:

同理可得，管路內(nèi)徑D =105 mm 時(shí)，氣流出口溫度T3為:

整理關(guān)聯(lián)式(7) 、(8) ，可得到管道直徑改變前后，管道內(nèi)氣流出口溫度的變化函數(shù)關(guān)系:

當(dāng)管路內(nèi)徑D 為65 mm、出口溫度為70 ℃時(shí)，則:

若經(jīng)過1 號(hào)氣閘閥溫度為30 ℃，則

根據(jù)關(guān)聯(lián)式(9) ，可計(jì)算出管路內(nèi)徑D 為105 mm 時(shí)的出口溫度T3:

簡(jiǎn)化為攝氏度，則t3為:

綜上所述，當(dāng)選取管道內(nèi)徑D=105 mm，出口溫度為38.9 ℃，完全滿足壓力容器的溫度要求。同理可得，管道內(nèi)徑D =95 mm，氣動(dòng)管路出口溫度接近60 ℃。由此可見，保證壓力容器溫度要求的合理管道內(nèi)徑近似在100 mm 左右。

由此可見，氣動(dòng)管路的直徑變化直接影響到壓縮空氣對(duì)管道內(nèi)部的傳熱系數(shù)。直徑越大，傳熱系數(shù)越小，同等入口溫度下，出口氣流溫度變化差異越小。

3 氣動(dòng)管路的改進(jìn)措施

結(jié)合文中對(duì)高壓除鱗系統(tǒng)氣動(dòng)管路發(fā)熱問題的理論分析及結(jié)論，2010年4月，在首秦公司4 300 mm二期配套升級(jí)改造工程中，對(duì)一期高壓水除鱗系統(tǒng)氣水罐的氣動(dòng)管路進(jìn)行增粗改造。

一期工程設(shè)計(jì)之初，高壓三通氣閘閥的國(guó)標(biāo)最大值為DN65 mm。目前，國(guó)內(nèi)高壓三通氣閘閥的標(biāo)準(zhǔn)最大值為DN80 mm。因此，二期工程中，除鱗蓄勢(shì)罐選用了國(guó)標(biāo)最大通徑的高壓氣閘閥，與管道尺寸實(shí)現(xiàn)等徑連接，減少氣閘閥局部壓力損失，如圖4 所示。

圖4 改造后的三通氣閘閥

4 結(jié)論

運(yùn)用空氣熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等方法，對(duì)高壓水除鱗系統(tǒng)氣動(dòng)管路的發(fā)熱問題進(jìn)行理論分析。通過分析得出: 管道內(nèi)的氣流速度超過了一般工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，管壁氣溫升高的主要原因在于其內(nèi)部氣流速度過快所致。通過選取合理的管道內(nèi)徑、選用開口度較大的高壓三通氣閘閥(DN80 mm) ，有利于降低管道內(nèi)表面溫度，保證壓力容器的內(nèi)部溫度不超過50 ℃。

目前，氣水罐壓縮空氣管路的外表溫度在改造后，穩(wěn)定在40 ℃左右，保證了壓力容器在正常、合理的周期內(nèi)安全使用。研究結(jié)果與實(shí)踐表明: 文中的理論分析對(duì)改造工作具有指導(dǎo)意義，為特種設(shè)備的安全使用提供了基礎(chǔ)性保障。

［1］路甬祥．液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)［M］．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2004:770－785，938．

［2］崔凱．粗軋機(jī)高壓水除鱗系統(tǒng)的改造［J］．機(jī)床與液壓，2007，35(10) :208－209．

［3］楊世銘．傳熱學(xué)［M］．北京: 高等教育出版社，2006:45－427．