用于清洗除锈的淹没空化水射流喷嘴 实验研究

廖 松 邓松圣 李 亮 雷传超

1.中国人民解放军78366部队, 云南 马龙 655100; 2.中国人民解放军陆军勤务学院油料系, 重庆 401331; 3.郑州联保中心蓟县油料仓库, 天津 301900

0 前言

储油罐和输油管道是储运油品的必需工具。在长时间的储运过程中,温度变化、油品中杂质以及环境作用等因素的影响会导致储油罐和输油管道腐蚀生锈,影响储运油品的质量,并带来极大的安全隐患[1-4]。因此,为保证油品质量和设施安全,须定期对储油罐和输油管道进行清洗除锈[5]。空化水射流技术凭其安全、高效、破坏能力强的优点在船舶清洗、材料处理以及石油开采等方面应用较为广泛[6-9]。在储油罐和输油管道的清洗除锈工艺中使用空化水射流技术,既能够提高作业效率,又能保证清洗除锈质量。

根据剪切型空化原理,设计了新型的淹没空化水射流喷嘴,采用同轴重叠的套筒形式,内喷嘴为角形喷嘴,即在高压喷嘴外面加一圆筒形套筒来形成淹没条件。当高压水射到低压水中便会形成淹没水射流,淹没水射流的边界存在很大的速度梯度,在水的黏性力和反向压差的共同作用下,射流边界充满了漩涡,空泡在充满漩涡的射流中孕育初生,并在适当的距离里长大,在一定的靶距内射流冲击物体表面,引起空泡溃灭,从而产生巨大能量使物体表面产生破坏[10-15]。本文通过实验研究方法对所设计的喷嘴进行冲蚀实验,对比不同结构形式的喷嘴射流空化性能,为储油罐和输油管道的清洗除锈应用提供借鉴。

1 喷嘴结构设计与加工

考虑到与实验室高压管路的连接及内外喷嘴之间的固定,所设计的淹没空化水射流喷嘴结构由三部分组成,即内喷嘴(角形喷嘴)、基座及外喷嘴(圆柱形套筒),喷嘴结构见图1～2。外喷嘴设计分4种形式,图2-a)中外喷嘴为圆柱形喷嘴,编号为1#喷嘴;图2-b)中外喷嘴为流线型喷嘴,编号为2#喷嘴;图2-c)中外喷嘴为锥形喷嘴,编号为3#喷嘴;图2-d)中外喷嘴同为锥形喷嘴,但外喷嘴出口段长度与3#喷嘴不同,具体尺寸参数如图所示,编号为4#喷嘴。

2 实验装置和方案

在空化水射流实验研究中,空化产生区域的形态、空化作用的范围以及流场对空化效应的影响等问题都难以定量地测量分析[16-20],因此,采用间接方法,通过冲蚀试件来衡量淹没空化水射流喷嘴的冲蚀效果,试件选用轻质耐火砖,选取质量、深度以及孔径作为评价指标,并与角形喷嘴进行对比。在实验过程中,对砖块进行编号,每种工况进行三次实验,计算冲蚀前后的差值,取平均值作为结果。实验装置见图3。整套实验装置由高压水系统和低压水系统组成。

a)内喷嘴结构

b)基座结构

图1内喷嘴及基座结构

图3 实验装置

3 实验结果与分析

a)冲蚀前的耐火砖

b)冲蚀后的耐火砖图4 冲蚀前后的耐火砖

图5 淹没空化水射流自喷嘴喷出后流动形态

3.1 入口压力对射流冲蚀能力的影响

内喷嘴入口压力与冲蚀量的关系见图6,角形喷嘴的尺寸参数和淹没空化水射流喷嘴的内喷嘴尺寸参数相同。由图6可见,随着内喷嘴入口压力的增加,4个淹没空化水射流喷嘴和角形喷嘴的冲蚀量增加,且冲蚀量增加均有加快的趋势,说明提高内喷嘴入口压力有利于提高喷嘴的冲蚀能力。4个淹没空化水射流喷嘴的冲蚀量均大于角形喷嘴的冲蚀量。其中,1#喷嘴的冲蚀量相对最小,4#喷嘴的冲蚀量最大,2#喷嘴和3#喷嘴的冲蚀量居中,2#喷嘴的冲蚀量略大于3#喷嘴的冲蚀量。1#喷嘴的冲蚀量约是角形喷嘴冲蚀量的1.8～2.2倍,2#和 3# 喷嘴的冲蚀量约是角形喷嘴冲蚀量的2.5～3倍,4#喷嘴的冲蚀量约是角形喷嘴冲蚀量的3.5倍,这说明4个淹没空化水射流喷嘴均能提高水射流的冲蚀能力,原因是流场内产生了空化现象,空蚀作用加快了靶材的破坏。外喷嘴收缩段流线型结构好于锥形结构,锥形结构好于圆柱形结构,流线型结构和锥形结构的导流作用有利于低压水流动更加稳定,从而更稳定地包裹住高压水,有利于促进空化的发展。4#喷嘴的冲蚀量高于3#喷嘴冲蚀量,说明适当增加淹没段的长度有利于空化的产生,该长度应该存在最优值,有待进一步优化研究。

图6 内喷嘴入口压力与冲蚀量的关系

图7 内喷嘴入口压力与冲蚀深度的关系

内喷嘴入口压力与冲蚀深度的关系见图7,内喷嘴入口压力与冲蚀孔径的关系见图8。由图7～8可见,对于实验中的5种喷嘴,冲蚀深度和冲蚀孔径随着内喷嘴入口压力的增加均呈现出增加的趋势,这也导致了冲蚀量的增加,与图6显示的结果相符合。其中,冲蚀深度对冲蚀量的影响更大一些,主要原因是随着内喷嘴入口压力的增加,射流的“水锤”作用及空蚀作用均有所增加,从而导致冲蚀深度增加。冲蚀孔径也有一定的增加,这说明了空化水射流作用面积大、作用范围广的特点。当内喷嘴入口压力达到一定值后,冲蚀孔径增加缓慢,一是受到靶距的影响，二是当内喷嘴入口压力达到一定值后,继续提高压力对提高空化效果有限,导致空蚀孔径增加速度趋缓。

图8 内喷嘴入口压力与冲蚀孔径的关系

3.2 靶距对喷嘴冲蚀能力的影响

靶距是指喷嘴出口距离靶材冲蚀表面的距离。为了研究靶距对喷嘴冲蚀能力的影响,以便确定喷嘴的最佳靶距,在内喷嘴入口压力、冲蚀时间、外喷嘴入口流量相同的情况下,对淹没空化水射流喷嘴进行了不同靶距下的冲蚀实验,实验结果见图9～12。图9显示了靶距对1#喷嘴冲蚀能力的影响,由图9可知,当靶距低于 30 mm 时,随着靶距的增加,冲蚀量增加,说明在该阶段,随着靶距的增加,空泡得以进一步成长,空化效果进一步增强,空蚀破坏作用增大。靶距介于30～50 mm时,冲蚀量有所下降。当靶距大于50 mm时,冲蚀量继续减小,空化作用减弱。这说明对于1#喷嘴,靶距在30 mm左右时,冲蚀效果最佳。随着靶距的增加,冲蚀深度减小,冲蚀孔径增大,这说明射流具有发散性,发散的同时空化射流的打击面也增大。图10、图11和图12分别显示了靶距对2#、3#、4#喷嘴冲蚀能力的影响。从图10～12可以看出,对于2#、3#和4#喷嘴来说,冲蚀量、冲蚀深度与蚀坑表面直径冲蚀孔径的变化规律与1#喷嘴基本相同。因此,2#、3#和4#喷嘴也都存在着最优靶距,2#喷嘴的最佳靶距约为40 mm,3#喷嘴的最优靶距处于30～40 mm 之间,4#喷嘴的最优靶距为30 mm。不同靶距下 1# 喷嘴射流冲蚀后的耐火砖蚀坑图见图13,从图13可以看出冲蚀深度、冲蚀孔径的变化规律,即随着靶距的增加,冲蚀深度减小,冲蚀孔径增加。

图9 靶距对1#喷嘴冲蚀能力的影响

图10 靶距对2#喷嘴冲蚀能力的影响

图11 靶距对3#喷嘴冲蚀能力的影响

图12 靶距对4#喷嘴冲蚀能力的影响

a)L=10 mm

b)L=30 mm

c)L=70 mm

d)L=140 mm

4 结论

结合加工技术水平,对设计的淹没空化水射流喷嘴进行了加工。利用实验室现有条件,搭建了射流冲蚀实验系统,对所加工的4个淹没水射流喷嘴的冲蚀能力进行了实验研究,研究了内喷嘴入口压力和靶距两个关键因素对喷嘴冲蚀能力的影响,得到以下结论:

1)射流自喷嘴喷出后成白雾状,且伴随着刺耳的噪音,说明所设计的淹没空化水射流喷嘴可以有效产生空化。

2)提高内喷嘴入口压力可以有效提高角形喷嘴和淹没空化水射流喷嘴的冲蚀能力,且4种淹没空化水射流喷嘴的冲蚀能力均强于角形喷嘴的冲蚀能力,说明4种淹没水射流喷嘴均能有效产生空化现象,空蚀作用的存在加速了靶材的破坏。

3)在相同条件下,1#喷嘴的冲蚀量相对最小,3#喷嘴的冲蚀量居中,2#喷嘴的冲蚀量略高于3#喷嘴,说明外喷嘴的结构和尺寸对流场空化强度的影响较大,外喷嘴收缩段流线型结构优于锥形结构,锥形结构优于圆柱形结构。

4)靶距是影响流场空化强度的重要因素,靶距过大和过小都会影响射流的冲蚀能力,最优靶距与喷嘴的结构有关,1#喷嘴的最优靶距约为30 mm,2#喷嘴的最优靶距约为40 mm,3#喷嘴的最优靶距介于30～40 mm之间,4#喷嘴的最优靶距为30 mm。