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皮碗式清管器的磨损和长度特性研究上海煤气第二管线工程有限公司戴斌陶志钧摘要：在燃气钢质管道清管过程中，皮碗式清管器受到的磨损较大，而且管道中各类弯头和三通件要求清管器的长度合适，否则容易造成卡堵。文章根据皮碗式清管器在钢质管道中的运行特点，分析了影响清管 器皮碗的特性及磨损因素，给出了皮碗合理过盈量。同时，为防止清管器卡堵，给出了清管器的推荐长度。关键词：燃气钢管清管清管器磨损过盈量在燃气钢管清管过程中，皮碗式清管器得到了广泛的使用，比较其他清管设施，皮碗式清管器的 清洁效果比较好。但在工程现场的应用中也同时发 现，皮碗式清管器的皮碗有时磨损较大，而且长度 不合适的清管器在小曲率半径的弯头处，或大口径 的三通件处也会发生卡堵。分析皮碗式清管器的皮 碗磨损特性和长度尺寸要求对燃气钢管清管施工 有直接的指导意义。受力分析(如图 1 所示)，可以得到驱动清管器运行的空气压力与大气压力及摩擦力的平衡关系：pS = p0 S + f或： p′S = f或： p′S = μ (mg + ε EA)式中：p—压缩空气推动压力(绝对压力)/Pa； S—被清通管道的截面积/m2； p0—大气压/Pa；p′ —压缩空气驱动压力(相对压力)/Pa；f —清管器与管道内壁的摩擦力/N； μ—摩擦系数，取 0.8； m—清管器的质量/kg； g—重力加速度/m·s-2； ε—皮碗过盈量/% E—皮碗弹性模量/Pa； A—皮碗与管壁的接触面积/m2。（1）（2）（3）1皮碗式清管器磨损特性分析皮碗式清管器在燃气钢管清管过程中的磨损与清管器运行摩擦力直接相关。而摩擦力的大小与 清管器的运行速度、皮碗过盈量以及皮碗的材料性 质等因素相关。1.1清管器运行过程中摩擦力的计算分析由实验可知，水平直管段进行清管时，二皮碗 清管器的推动压力约为 2×104 Pa，三皮碗清管器的 推动压力约为 6×104 Pa，由此，可以计算出清管器 在水平直管中运行的摩擦力。319皮碗3只6钢管p0SpS110X6盲板f图 1 清管器在水平直管中运行的受力分析图 2 三皮碗清管器结构并作匀速运动时，由当清管器通过水平管道，6 〉〉2008 年第 2 期 上海煤气220X 115X-10法兰6片14X6螺栓孔钢孔114X110X 65X-10法兰9X6孔12圆管219X8X35钢/由式（3）可以得到下列计算皮碗弹性模量系数的公式：当高。因此，这些接触点产生了塑性变形。同时，接触面积不断增加，直到能够承受全部外载荷为 止。对于理想的弹塑性材料，实际接触面积与外载 荷的关系可用下式表示：E = p S ? μmg（4）μεAFn = Arσ S式中： Fn—法向外载荷/kg； Ar—实际接触面积/m2；以三皮碗清管器(见图2)为例，计算可以获得（7）较真实的皮碗弹性模量。设管道的外径为 325 mm，壁厚为 8 mm，采用的三皮碗清管器外径为 318 mm， 质量为 m 为 30.2 kg，皮碗过盈量ε为 3 %。每片皮碗与管壁的接触宽度 l 为 0.05 m，则三 皮碗清管器与管道内壁的接触面积为：σ —较软材料的屈服极限/kg·m-2。s在干摩擦过程中实际接触面积一般只是整个接触面积的 0.001~0.000 01 倍，并且随着法向外载 荷的增大而增大，所以，在清管器的选择上过盈量 不能太大，否则，法向载荷过大，产生很大的摩擦 会引起清通压力的增大。根据粘着磨损的计算方法，材料的磨损量与载 荷和滑动距离成正比，而与较软材料的屈服极限或 者硬度成反比。A = 3lπD = 3 × 0.05 × 0.309 = 0.146代入(4)式得：E=1.2×106Pam 2根据计算所得的皮碗材料弹性模量，在给定的管道条件下，由下面两式可以分别计算不同过盈量 情况下，清管器运行的摩擦力和驱动力：f = μ(mg + ε EA)（5）1.3燃气钢管清管过程中皮碗磨损的原因根据上述分析，钢管清通过程中清管器皮碗的 磨损与以下因素有关：(1)过盈量：增加皮碗过盈量，则法向载荷也增 大，使得皮碗和管壁之间接触点增加，也就是实际 接触面积增大了，从而导致摩擦力增大(见表 1)。 过盈量增大，皮碗和管壁的接触更紧密，这也就大 大提高了粘着点产生磨屑的概率，即磨损系数，也 就是增大了皮碗的磨损量。因此，过盈量越大，则 磨损也越快。(2)清管器运行速度：增大清管器的运行速度， 则要求清管驱动压力增大。这不仅会消耗更多的能 量，安全性也会下降。一般来说，随着运行速度的增加，动摩擦系数 略有下降。但是，在清管过程中，皮碗摩擦力是其 主要阻力。清管器运行速度快则摩擦产生更多热 量，使得皮碗温度很快升高，皮碗材料变软，降低 了皮碗的屈服极限，增加清管器皮碗的磨损量。所 以，为减少能耗和清管器磨损，运行时应采用