廖 松 鄧松圣 李 亮 雷傳超

1.中國(guó)人民解放軍78366部隊(duì), 云南 馬龍 655100; 2.中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系, 重慶 401331; 3.鄭州聯(lián)保中心薊縣油料倉(cāng)庫(kù), 天津 301900

0 前言

儲(chǔ)油罐和輸油管道是儲(chǔ)運(yùn)油品的必需工具。在長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,溫度變化、油品中雜質(zhì)以及環(huán)境作用等因素的影響會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)油罐和輸油管道腐蝕生銹,影響儲(chǔ)運(yùn)油品的質(zhì)量,并帶來(lái)極大的安全隱患[1-4]。因此,為保證油品質(zhì)量和設(shè)施安全,須定期對(duì)儲(chǔ)油罐和輸油管道進(jìn)行清洗除銹[5]?？栈淞骷夹g(shù)憑其安全、高效、破壞能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)在船舶清洗、材料處理以及石油開(kāi)采等方面應(yīng)用較為廣泛[6-9]。在儲(chǔ)油罐和輸油管道的清洗除銹工藝中使用空化水射流技術(shù),既能夠提高作業(yè)效率,又能保證清洗除銹質(zhì)量。

根據(jù)剪切型空化原理,設(shè)計(jì)了新型的淹沒(méi)空化水射流噴嘴,采用同軸重疊的套筒形式,內(nèi)噴嘴為角形噴嘴,即在高壓噴嘴外面加一圓筒形套筒來(lái)形成淹沒(méi)條件。當(dāng)高壓水射到低壓水中便會(huì)形成淹沒(méi)水射流,淹沒(méi)水射流的邊界存在很大的速度梯度,在水的黏性力和反向壓差的共同作用下,射流邊界充滿了漩渦,空泡在充滿漩渦的射流中孕育初生,并在適當(dāng)?shù)木嚯x里長(zhǎng)大,在一定的靶距內(nèi)射流沖擊物體表面,引起空泡潰滅,從而產(chǎn)生巨大能量使物體表面產(chǎn)生破壞[10-15]。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)所設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的噴嘴射流空化性能,為儲(chǔ)油罐和輸油管道的清洗除銹應(yīng)用提供借鑒。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工

考慮到與實(shí)驗(yàn)室高壓管路的連接及內(nèi)外噴嘴之間的固定,所設(shè)計(jì)的淹沒(méi)空化水射流噴嘴結(jié)構(gòu)由三部分組成,即內(nèi)噴嘴(角形噴嘴)、基座及外噴嘴(圓柱形套筒),噴嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～2。外噴嘴設(shè)計(jì)分4種形式,圖2-a)中外噴嘴為圓柱形噴嘴,編號(hào)為1#噴嘴;圖2-b)中外噴嘴為流線型噴嘴,編號(hào)為2#噴嘴;圖2-c)中外噴嘴為錐形噴嘴,編號(hào)為3#噴嘴;圖2-d)中外噴嘴同為錐形噴嘴,但外噴嘴出口段長(zhǎng)度與3#噴嘴不同,具體尺寸參數(shù)如圖所示,編號(hào)為4#噴嘴。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方案

在空化水射流實(shí)驗(yàn)研究中,空化產(chǎn)生區(qū)域的形態(tài)、空化作用的范圍以及流場(chǎng)對(duì)空化效應(yīng)的影響等問(wèn)題都難以定量地測(cè)量分析[16-20],因此,采用間接方法,通過(guò)沖蝕試件來(lái)衡量淹沒(méi)空化水射流噴嘴的沖蝕效果,試件選用輕質(zhì)耐火磚,選取質(zhì)量、深度以及孔徑作為評(píng)價(jià)指標(biāo),并與角形噴嘴進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)磚塊進(jìn)行編號(hào),每種工況進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn),計(jì)算沖蝕前后的差值,取平均值作為結(jié)果。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。整套實(shí)驗(yàn)裝置由高壓水系統(tǒng)和低壓水系統(tǒng)組成。

a)內(nèi)噴嘴結(jié)構(gòu)

b)基座結(jié)構(gòu)

圖1內(nèi)噴嘴及基座結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

a)沖蝕前的耐火磚

b)沖蝕后的耐火磚圖4 沖蝕前后的耐火磚

圖5 淹沒(méi)空化水射流自噴嘴噴出后流動(dòng)形態(tài)

3.1 入口壓力對(duì)射流沖蝕能力的影響

內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕量的關(guān)系見(jiàn)圖6,角形噴嘴的尺寸參數(shù)和淹沒(méi)空化水射流噴嘴的內(nèi)噴嘴尺寸參數(shù)相同。由圖6可見(jiàn),隨著內(nèi)噴嘴入口壓力的增加,4個(gè)淹沒(méi)空化水射流噴嘴和角形噴嘴的沖蝕量增加,且沖蝕量增加均有加快的趨勢(shì),說(shuō)明提高內(nèi)噴嘴入口壓力有利于提高噴嘴的沖蝕能力。4個(gè)淹沒(méi)空化水射流噴嘴的沖蝕量均大于角形噴嘴的沖蝕量。其中,1#噴嘴的沖蝕量相對(duì)最小,4#噴嘴的沖蝕量最大,2#噴嘴和3#噴嘴的沖蝕量居中,2#噴嘴的沖蝕量略大于3#噴嘴的沖蝕量。1#噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的1.8～2.2倍,2#和 3# 噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的2.5～3倍,4#噴嘴的沖蝕量約是角形噴嘴沖蝕量的3.5倍,這說(shuō)明4個(gè)淹沒(méi)空化水射流噴嘴均能提高水射流的沖蝕能力,原因是流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生了空化現(xiàn)象,空蝕作用加快了靶材的破壞。外噴嘴收縮段流線型結(jié)構(gòu)好于錐形結(jié)構(gòu),錐形結(jié)構(gòu)好于圓柱形結(jié)構(gòu),流線型結(jié)構(gòu)和錐形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流作用有利于低壓水流動(dòng)更加穩(wěn)定,從而更穩(wěn)定地包裹住高壓水,有利于促進(jìn)空化的發(fā)展。4#噴嘴的沖蝕量高于3#噴嘴沖蝕量,說(shuō)明適當(dāng)增加淹沒(méi)段的長(zhǎng)度有利于空化的產(chǎn)生,該長(zhǎng)度應(yīng)該存在最優(yōu)值,有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

圖6 內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕量的關(guān)系

圖7 內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕深度的關(guān)系

內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕深度的關(guān)系見(jiàn)圖7,內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕孔徑的關(guān)系見(jiàn)圖8。由圖7～8可見(jiàn),對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的5種噴嘴,沖蝕深度和沖蝕孔徑隨著內(nèi)噴嘴入口壓力的增加均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),這也導(dǎo)致了沖蝕量的增加,與圖6顯示的結(jié)果相符合。其中,沖蝕深度對(duì)沖蝕量的影響更大一些,主要原因是隨著內(nèi)噴嘴入口壓力的增加,射流的“水錘”作用及空蝕作用均有所增加,從而導(dǎo)致沖蝕深度增加。沖蝕孔徑也有一定的增加,這說(shuō)明了空化水射流作用面積大、作用范圍廣的特點(diǎn)。當(dāng)內(nèi)噴嘴入口壓力達(dá)到一定值后,沖蝕孔徑增加緩慢,一是受到靶距的影響，二是當(dāng)內(nèi)噴嘴入口壓力達(dá)到一定值后,繼續(xù)提高壓力對(duì)提高空化效果有限,導(dǎo)致空蝕孔徑增加速度趨緩。

圖8 內(nèi)噴嘴入口壓力與沖蝕孔徑的關(guān)系

3.2 靶距對(duì)噴嘴沖蝕能力的影響

靶距是指噴嘴出口距離靶材沖蝕表面的距離。為了研究靶距對(duì)噴嘴沖蝕能力的影響,以便確定噴嘴的最佳靶距,在內(nèi)噴嘴入口壓力、沖蝕時(shí)間、外噴嘴入口流量相同的情況下,對(duì)淹沒(méi)空化水射流噴嘴進(jìn)行了不同靶距下的沖蝕實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9～12。圖9顯示了靶距對(duì)1#噴嘴沖蝕能力的影響,由圖9可知,當(dāng)靶距低于 30 mm 時(shí),隨著靶距的增加,沖蝕量增加,說(shuō)明在該階段,隨著靶距的增加,空泡得以進(jìn)一步成長(zhǎng),空化效果進(jìn)一步增強(qiáng),空蝕破壞作用增大。靶距介于30～50 mm時(shí),沖蝕量有所下降。當(dāng)靶距大于50 mm時(shí),沖蝕量繼續(xù)減小,空化作用減弱。這說(shuō)明對(duì)于1#噴嘴,靶距在30 mm左右時(shí),沖蝕效果最佳。隨著靶距的增加,沖蝕深度減小,沖蝕孔徑增大,這說(shuō)明射流具有發(fā)散性,發(fā)散的同時(shí)空化射流的打擊面也增大。圖10、圖11和圖12分別顯示了靶距對(duì)2#、3#、4#噴嘴沖蝕能力的影響。從圖10～12可以看出,對(duì)于2#、3#和4#噴嘴來(lái)說(shuō),沖蝕量、沖蝕深度與蝕坑表面直徑?jīng)_蝕孔徑的變化規(guī)律與1#噴嘴基本相同。因此,2#、3#和4#噴嘴也都存在著最優(yōu)靶距,2#噴嘴的最佳靶距約為40 mm,3#噴嘴的最優(yōu)靶距處于30～40 mm 之間,4#噴嘴的最優(yōu)靶距為30 mm。不同靶距下 1# 噴嘴射流沖蝕后的耐火磚蝕坑圖見(jiàn)圖13,從圖13可以看出沖蝕深度、沖蝕孔徑的變化規(guī)律,即隨著靶距的增加,沖蝕深度減小,沖蝕孔徑增加。

圖9 靶距對(duì)1#噴嘴沖蝕能力的影響

圖10 靶距對(duì)2#噴嘴沖蝕能力的影響

圖11 靶距對(duì)3#噴嘴沖蝕能力的影響

圖12 靶距對(duì)4#噴嘴沖蝕能力的影響

a)L=10 mm

b)L=30 mm

c)L=70 mm

d)L=140 mm

4 結(jié)論

結(jié)合加工技術(shù)水平,對(duì)設(shè)計(jì)的淹沒(méi)空化水射流噴嘴進(jìn)行了加工。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,搭建了射流沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)所加工的4個(gè)淹沒(méi)水射流噴嘴的沖蝕能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究了內(nèi)噴嘴入口壓力和靶距兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)噴嘴沖蝕能力的影響,得到以下結(jié)論:

1)射流自噴嘴噴出后成白霧狀,且伴隨著刺耳的噪音,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的淹沒(méi)空化水射流噴嘴可以有效產(chǎn)生空化。

2)提高內(nèi)噴嘴入口壓力可以有效提高角形噴嘴和淹沒(méi)空化水射流噴嘴的沖蝕能力,且4種淹沒(méi)空化水射流噴嘴的沖蝕能力均強(qiáng)于角形噴嘴的沖蝕能力,說(shuō)明4種淹沒(méi)水射流噴嘴均能有效產(chǎn)生空化現(xiàn)象,空蝕作用的存在加速了靶材的破壞。

3)在相同條件下,1#噴嘴的沖蝕量相對(duì)最小,3#噴嘴的沖蝕量居中,2#噴嘴的沖蝕量略高于3#噴嘴,說(shuō)明外噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)流場(chǎng)空化強(qiáng)度的影響較大,外噴嘴收縮段流線型結(jié)構(gòu)優(yōu)于錐形結(jié)構(gòu),錐形結(jié)構(gòu)優(yōu)于圓柱形結(jié)構(gòu)。

4)靶距是影響流場(chǎng)空化強(qiáng)度的重要因素,靶距過(guò)大和過(guò)小都會(huì)影響射流的沖蝕能力,最優(yōu)靶距與噴嘴的結(jié)構(gòu)有關(guān),1#噴嘴的最優(yōu)靶距約為30 mm,2#噴嘴的最優(yōu)靶距約為40 mm,3#噴嘴的最優(yōu)靶距介于30～40 mm之間,4#噴嘴的最優(yōu)靶距為30 mm。