异径多曲率耐磨弯管

技术领域

本发明涉及采矿充填术领域，特别是涉及一种异径多曲率耐磨弯管。

背景技术

在采矿领域的充填开采中，充填料浆的流体中常常携带着大小不同、形状不同和浓度不同的砂砾，长时间的冲刷管道壁面，使得管壁出现磨损现象，降低了管道的承载能力，缩短其使用寿命；并有可能造成充填管道的穿孔失效以及料浆资源的泄露，从而引起环境污染，造成巨大的经济损失，也会给人们的生产生活和生命安全带来威胁。弯管是来连接两个相同的管径的管道做转向的管件，在采矿充填工作中经常应用其连接两个不同角度的管道，当充填料浆通过弯管来改变输送方向时，充填料浆流体中的颗粒会在较大流速的冲击大对弯管的管壁进行冲击，造成严重的冲蚀磨损，使得弯管中的冲蚀现象极为严重，容易造成严重的危害。

在管道输送的工艺中，弯头处会产生较大的磨损，需要定期更换，甚至管道泄露或破裂，产生较大的经济规失。现有的减磨管道设计中，主要采取的方式一种为减缓弯头处的流速，另一种是在弯头处添加腔体，改变颗粒在弯头处的碰撞位置；但这两种方式都会导致流体的动能损失，且结构复杂，安装困难。因此，迫切的需要一种能够抵抗充填料浆冲击力的耐磨弯管来填补现有技术的不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种异径多曲率耐磨弯管，其能够减使流体颗粒受到的涡流收束作用减弱，流速降低，从而降低流体颗粒对管体造成的磨损，延长弯管的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种异径多曲率耐磨弯管，其包括水平管段、弯管段以及竖直管段，所述弯管段一端连接水平管段，另一端连接竖直管段，所述弯管端包括沿流体方向依次连接设置的第一弯管分段、直线缓冲分段以及第二弯管分段，所述第一弯管分段的弯曲半径与第二弯管分段的弯曲半径均大于80mm，且所述第一弯管分段的弯曲半径大于第二弯管分段的弯曲半径。

优选的，所述第一弯管分段的管径自与水平管段连接的一端向与直线缓冲分段连接的一端逐渐缩小，所述第二弯管分段的管径自与直线缓冲分段连接的一端向与竖直管段连接的一端逐渐扩大。

优选的，所述第一弯管分段的管径沿流体方向自水平管段管径逐渐缩小为直线缓冲分段管径；所述第二弯管分段的管径沿流体方向自直线缓冲分段管径逐渐扩大为竖直管段管径。

优选的，所述直线缓冲分段为沿第一弯管分段输出端的输出角度直线延伸设置的直线管段。

优选的，所述直线缓冲分段的管径为100-115mm，长度为50-70mm。

优选的，所述第一弯管分段的弯曲半径为140-160mm；所述第二弯管分段的弯曲半径为80-100mm。

优选的，所述水平管段与直线缓冲分段之间的夹角为40°-45°。

优选的，水平管段和竖直管段的管径均为125mm，第一弯管分段的管径为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段的管径为自110mm渐变为125mm，第一弯管分段的弯曲半径为150mm，所述第二弯管分段的弯曲半径为90mm，直管段长度为60mm，水平管段与直线缓冲分段之间的夹角为45°。

优选的，水平管段和竖直管段的管径均为125mm，第一弯管分段的管径为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段的管径为自110mm渐变为125mm，第一弯管分段的弯曲半径为140mm，所述第二弯管分段的弯曲半径为90mm，直管段长度为60mm，水平管段与直线缓冲分段之间的夹角为45°。

优选的，水平管段和竖直管段的管径均为125mm，第一弯管分段的管径为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段的管径为自110mm渐变为125mm，第一弯管分段的弯曲半径为160mm，所述第二弯管分段的弯曲半径为90mm，直管段长度为60mm，水平管段与直线缓冲分段之间的夹角为45°。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置第一弯管分段的弯曲半径与第二弯管分段的弯曲半径均大于80mm，且所述第一弯管分段的弯曲半径大于第一弯管分段的弯曲半径，使其相较现有充填弯管而言，在相同角度变化范围内，延长了弯管段的流道长度，流体颗粒受到的涡流收束作用减弱，流速降低，用以降低流体颗粒对管体造成的磨损，另外，通过在第一弯管分段和第二弯管分段之间设置直线缓冲分段，利用直线缓冲分段对经过第一弯管分段改变流道方向的流体进行缓冲，减缓颗粒与壁面的碰撞，进一步降低管体的磨损率，延长弯管的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例所述的异径多曲率耐磨弯管的结构示意图。

附图中各部件的标记如下：

1、水平管段；2、弯管段；3、竖直管段；21、第一弯管分段；22、直线缓冲分段；23、第二弯管分段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明提供一种异径多曲率耐磨弯管，如图1所示，其包括水平管段1、弯管段2以及竖直管段3，所述弯管段2一端连接水平管段1，另一端连接竖直管段3，所述弯管端包括沿流体方向依次连接设置的第一弯管分段21、直线缓冲分段22以及第二弯管分段23，所述第一弯管分段21的弯曲半径大于第一弯管分段21的弯曲半径。

通过设置第一弯管分段21的弯曲半径与第二弯管分段23的弯曲半径均大于80mm，且所述第一弯管分段21的弯曲半径大于第一弯管分段21的弯曲半径，使其相较现有充填弯管而言，在相同角度变化范围内，延长了弯管段2的流道长度，流体颗粒受到的涡流收束作用减弱，流速降低，用以降低流体颗粒对管体造成的磨损，另外，通过在第一弯管分段21和第二弯管分段23之间设置直线缓冲分段22，利用直线缓冲分段22对经过第一弯管分段21改变流道方向的流体进行缓冲，减缓颗粒与壁面的碰撞，进一步降低管体的磨损率，延长弯管的使用寿命。

如图1所示，所述第一弯管分段21一端连接水平管段1，且与水平管段1的管径一致，另一端连接直线缓冲分段22，且与直线缓冲分段22的管径一致；所述直线缓冲分段22的管径小于水平管段1的管径，所述第一弯管分段21的管径自与水平管段1连接的一端向与直线缓冲分段22连接的一端逐渐缩小，即所述第一弯管分段21的管径沿流体方向自水平管段1管径逐渐缩小为直线缓冲分段22管径。

所述第二弯管分段23一端连接直线缓冲分段22，且与直线缓冲分段22的管径一致，另一端连接竖直管段3，且与竖直管段3的管径一致；所述竖直管段3的管径与水平管段1的管径一致，所述直线缓冲分段22的管径小于竖直管段3的管径，则所述第二弯管分段23的管径自与直线缓冲分段22连接的一端向与竖直管段3连接的一端逐渐扩大，即所述第二弯管分段23的管径沿流体方向自直线缓冲分段22管径逐渐扩大为竖直管段3管径。且所述第一弯管分段21的弧形半径大于第二弯管分段23的弧形半径。

具体的，充填管道的管径一般为125mm，如图1所示，水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的管径D5为110mm渐变为125mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直线缓冲分段22的管径D4优选为110mm，直线缓冲分段22的长度L为60mm，直线缓冲分段22与竖直管段3之间的夹角θ为45°。

在cfd流体仿真平台设置模拟工况为流速3m/s，流体颗粒直径为0.45mm；管道壁面材料为密度为5800kg/m3的碳钢，尾砂颗粒密度为2680kg/m3。质量流量设定为0.2kg/s，压力是1.01×105Pa，温度设置为25℃。

当第一弯管分段21为150mm时，流体在单位弯曲变化角度内的路径被延长，第一弯管分段21附近产生的涡流作用减弱，流速降低，但同时第一弯管分段21的管径自125mm渐变为110mm，由于第一弯管分段21的管径逐渐缩小，则使流速相对升高，从而在降低涡流强度的情况下，提高了流体流速，避免流体的动能损失。

由于第一弯管分段21提高了流体流速，为了避免流体流速过大对管体造成较大冲击，所述第一弯管分段21的输出端设置有沿第一弯管分段21输出端的输出角度直线延伸设置的直线缓冲分段22，经第一弯管分段21输出的流体进入直线缓冲分段22中，在直线缓冲分段22中得到了缓冲，避免了流体对管体造成较大冲击。

流体自直线缓冲分段22流入第二弯管分段23中，第二弯管分段23的管径为自100-115mm渐变为125mm，即恢复至充填管道的管径，管径增大，则相应的流体流速降低至初始流速，从而保证流体流速、避免流体动能损失。

当直线缓冲分段22与竖直管段3之间的夹角θ为45°，第一弯管分段21产生的涡流适当增强，小径R2产生的涡流减弱；进入第二弯管分段23中的流体中的一部分离涡流较远的颗粒打击在了壁面的A区，另一部分颗粒受到第一弯管分段21的作用，但未受到R2产生的涡流作用，击打在B区，以及少量颗粒受到R2产生的涡流的作用，在C区产生了部分磨损；而还有一部分颗粒受到R2和第一弯管分段21的共同作用，此部分颗粒则冲向D区，在D区产生磨损；由此可知，流体中的颗粒在第一弯管分段21和第二弯管分段23的共同作用下分散对管体的不同部位进行冲击，在这种情况下，由于颗粒分布较为分散，因此产生的最大磨损速率最小。

综合而言，上述异径多曲率耐磨弯管降低了涡流强度，保证了流体流速，避免流体的动能损失；且能够将流体进行分散，降低了弯管处的阻力损失，避免大部分冲击力集中在管体的某一个位置而出现较大磨损的问题。经过cfd流体仿真平台的模拟比对计算，管体的磨损率降低了31.4％，且流体在弯管中的阻力降低了12.1％。

另外，基于cfd流体仿真平台还模拟得到如下数据：

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110mm渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为140mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L为60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率13.7％，减阻为3.6％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为160mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率12.8％，减阻为2.4％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为80mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率25.2％，减阻为10.4％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为100mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率26.3％，减阻为10.6％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝70mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率25.5％，减阻为11.2％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝50mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率24.8％，减阻为10.6％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为40°时；弯管减磨效率20.9％，减阻为9.6％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为50°时；弯管减磨效率21.1％，减阻为10.2％。

10、当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为105mm，第二弯管分段23的管径D4为自105渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率29.7％，减阻为11.8％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为115mm，第二弯管分段23的管径D4为自115渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为150mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为90mm，直管段长度L＝60mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为45°时；弯管减磨效率30.9％，减阻为12.1％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率3.4％，减阻为0.76％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为110mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率4.6％，减阻为1.63％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为90mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率1.8％，减阻为0.61％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为60mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率4.1％，减阻为1.4％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为40mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率2.8％，减阻为0.62％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝40mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率3.7％，减阻为1.31％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝20mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率1.1％，减阻为0.43％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为40°时；弯管减磨效率5.2％，减阻为0.84％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为110mm，第二弯管分段23的管径D4为自110渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为20°时；弯管减磨效率0.72％，减阻为0.11％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为95mm，第二弯管分段23的管径D4为自95渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率3.14％，减阻为0.68％。

当水平管段1的管径D1及竖直管段3的管径D2均为125mm，第一弯管分段21的管径D3为自125mm渐变为120mm，第二弯管分段23的管径D4为自120渐变为125mm，第一弯管分段21的弯曲半径R1为100mm，第二弯管分段23的弯曲半径R2为50mm，直管段长度L＝30mm，水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角θ为30°时；弯管减磨效率3.82％，减阻为0.94％。

上述数据统计为表格如下：

由上述实验模拟数据可以看出，所述直线缓冲分段22的管径优选为100-115mm，长度为50-70mm；则第一弯管分段21的管径为自125mm渐变为100-115mm；第二弯管分段23的管径为自100-115mm渐变为125mm。同时，所述第一弯管分段21的弯曲半径为140-160mm，所述第二弯管分段23的弯曲半径为80-100mm，所述水平管段1与直线缓冲分段22之间的夹角为40°-45°，则直线缓冲分段22与竖直管段3之间的夹角为45°-50°。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。