长距离煤泥输送管道压力冲击和振动试验研究.pdf

第 4 1 卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo1 ． 4l No ． 5 M a y 2 01 5 文 章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 0 9 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 2 吕馥 言 ， 贾 旋凯 ， 刘 亚 运 ， 等． 长距 离煤 泥 输 送 管 道 压 力 冲击 和 振 动 试 验 研 究 I- J - ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 5 91 9 4 ． 长距离煤泥输送管道压力冲击和振动试验研究 吕馥 言 ， 贾旋 凯 ， 刘 亚运 ， 夏正 猛 ， 郝 雪 弟 ， 昊淼 中国矿业 大 学 北京 机 电与信 息 工程 学 院 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 对 长距 离煤 泥输 送 管道 泵 出 口处压 力和振 动 信 号进行 了工业 现场 测试 ， 确 定 了 S管 阀换 向是 产 生 管道 压 力 冲击和 振 动的 直接 原 因。通过 改 变泵 送量 ， 进 一 步分析 了 S管 阀换 向前 后 管道 压 力和振 动信 号 ， 得 出结 论 当泵送 量 小于 7 5 时 ， 管道压 力 冲击 大 小和振 动 强度 均 随泵送 量 的 增 大 而增 大 ， 管道 泵 出 口处 的 轴 向振 动 强度 大 于其 径 向振 动 强度 ， 且 泵 送 量 越 小 ， 轴 向振 动 相 比径 向 振 动 越 强 烈 ； 当 泵送 量 大 于 等 于 7 5 ％ 时 ， 泵送 量 的 变化对 管道 压 力 冲击和 振 动 的影 响较 小 。 关键 词 煤 泥输 送 管道 ；压 力冲 击 ； 振 动 ；S管 阀 中 图分类 号 TD 9 4 8 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 5 2 网 络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 5 2 ． 0 2 2 ． h t ml Ex pe r i me n t a l s t ud y o n pr e s s u r e i mp a c t a nd v i b r a t i o n o f l o n g d i s t a nc e c o a l s l i me t r a ns p O r t a t i o n pi p e l i ne LYU Fu y a n ， J I A Xu a n k a i ，LI U Ya y u n ，XI A Z h e n g me n g，HAO Xu e d i ， W U M i a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o 1 o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Pr e s s ur e a n d v i br a t i on s i gn a l s o f pu m p o ut l e t of l o ng d i s t a nc e c o a l s l i m e t r a n s p o r t a t i o n p i pe l i n e we r e t e s t e d i n i ndu s t r i a l f i e l d，S O a s t O de t e r m i n e r e v e r s i ng o f S t y pe p i pe v a l v e i s d i r e c t c au s e o f p i pe l i n e p r e s s ur e i m p a c t a n d v i br a t i on．Conc l us i on s we r e go t t e n t h r o ug h f u r t he r a n a l ys i s of pr e s s u r e a n d v i br a t i on s i gn a l s be f or e a nd a f t e r r e v e r s i n g o f t he S t y pe p i pe va l v e by c h a ng i ng pumpi ng o ut p ut ．I n t e ns i t y o f p i pe l i ne pr e s s u r e i mpa c t a nd v i br a t i o n i nc r e a s e s wi t h pumpi ng ou t pu t a nd a xi a l v i br a t i on i n t e ns i t y i s g r e a t e r t ha n r a d i a l v i br a t i on i nt e ns i t y whe n t he p umpi n g ou t pu t i s l e s s t ha n 7 5 ．And t h e s ma l l e r t he p u mp i n g o u t p u t ，t h e mo r e i n t e n s e t h e a x i a l v i b r a t i o n c o mp a r e d t o t h e r a d i a l v i b r a t i o n ．Pr e s s u r e i mp a c t a n d v i br a t i on of p i pe l i ne i s l e s s a f f e c t e d b y t he p umpi n g ou t pu t v a r i a t i o n whe n t he pu mpi n g ou t pu t e x c e e ds 7 5 ． Ke y wo r d s c oa l s l i me t r a ns po r t a t i o n pi p e l i ne；pr e s s u r e i m p a c t 9 vi br a t i o n；S t y pe p i pe v a l v e 0 引 言 煤 泥 是 煤 炭 洗 选 过 程 中 产 生 的 副 产 品 ， 截 止 2 0 1 2年 ， 全 国煤泥产量 已达 4 ． 5亿 t E 。煤 泥经过 脱 水处 理 含 固量 高 ， 呈 浓 密 膏 体 状 态 ， 具 有 灰 分 高 、 颗粒 细 、 黏 度 大 、 持 水 性 强 、 难 以 运 输 等 特 性 引。 目 前燃烧发电是实现煤泥无害化、 资源化处置 的最好 方 式 ， 而管 道输送 是 将 大 量 煤 泥 送 入 锅 炉燃 烧 并 且 避 免二 次输 送 污染 的最 佳选 择[ 3 。 ] 。 煤 泥 输 送 管道 系统 应 用朝 着 “ 长距 离 、 大 口径 、 高压力 ” 方 向发 展 。然 而煤 泥具有 黏度 高 、 屈服 应力 大等特点， 在管道 中以柱塞流形式运动 ， 与传统低浓 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 7 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 2 ； 责 任编辑 盛 男。 基金项 目 国家 自然科学基 金资助项 目 5 1 0 7 5 3 8 9 ， 5 1 4 0 6 1 0 6 ； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 2 0 1 0 0 0 2 3 1 1 0 0 0 6 。 作者简介 吕馥言 1 9 8 9 一 ， 女， 山东烟台人 ， 博士研究生 ， 主要研究方 向为浓密膏体管道输送 ， E - ma i l f u y a n j i a y o u 2 O 1 2 s i n a ． c o rn。 9 2 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 度矿 浆 的 流 动 形 式 本 质 不 同E 。常 态 下 煤 泥 是 一 种“ 固 液一 气” 多相混合物 ， 但在高压输送管道中 煤 泥 膏体 产 生 压 缩 和 弹性 变形 ， 表 现 出 黏 弹 性 。 目前 成功 实施 的工 程 项 目 中， 浓 密 膏体 输 送 管 道 系 统 主要性 能参 数 见 表 1 。 表 1 浓密膏体输送管道系统主要性能参数 在长距离煤泥输送管道工程应用 中， 常常产生 物 料返 流现象 即煤 泥返 回到料箱 中 。管道 物料 返 流影 响 因素众 多 ， 包 括煤 泥 的弹性恢 复性 能l 8 ] 、 泵送 压力 和输 送距 离[ 等 。管道 内压 力 冲击 和振动 与 管 道 系统执 行机 构 的动作有 关 ， 如 S管 阀换 向、 输 送泵 主 活塞 的启 闭等 。长距 离煤泥 输送 管道 中普 遍使 用 S管 阀双 缸活 塞 泵 ， 其 换 向过 程 中高 压 输 送 管 道 通 过 眼镜板 和切 割环 与 吸 料 斗相 通 ， 管道 中 的物 料受 到输 送管 道 的反作用 力及 自身 恢复 弹性 形变 的作用 力发生返流， 使部分或全部物料又流回吸料斗 ， 同时 返流物料对吸料斗产生冲击。这不仅大大降低 了泵 送效率 ， 还会引起管道强烈的冲击振动 ， 导致泵送设 备的寿命缩短甚至损坏l 8 ] 。当输送距离较远时， 上 述现 象表 现得尤 为 明显 。本文 通过对 工业 现场 煤 泥 输送 管道 系统 中管 道 的压力变 化 和振动 信号进 行测 试 ， 分析得 出执行机 构 动作 、 泵 送量 变化 对管道 压力 和振动的影响规律 ， 为煤泥输送管道 的输送参数选 择及管道冲击振动的减小方法提供参考 。 1 长距 离煤 泥输 送管 道 系统 和传 感器 布置 1 ． 1 长距 离煤泥 输送 管道 系统 煤泥 输送 管 道 系统 由 预压 螺 旋 、 S管 阀双 缸 活 塞泵 、 弹簧 被 动式 止 回 阀 、 输 送 管 道 等 组成 ， 系 统参 数见表 2 。煤泥进 入预压螺旋后 ， 在螺旋 叶片的推 动下被压入泵的吸料斗内， 螺旋叶片的转速 由变频 电 动机调节 [ 1 。活塞泵加 压将 物料 推入管 道 。弹簧 被 动式止 回阀可减少活塞泵 动作造成 的物 料返流 。 表 2 煤泥输送管道 系统参数 1 ． 2传 感 器布置 为确 定管 道压 力 冲击 和振 动与执 行 机构动 作 的 关系， 在系统中布置压力传感器和振动加速度传感 器测 点 ， 如 图 1所 示 。其 中 1 3号 为 管 道 压 力 测 点 ， 1号布置 于泵 出 口处 ， 2号 和 3 号 在沿 程管 道上 ； 4 6 号 为管 道振 动测 点 ， 4号 分 为轴 向和 径 向振 动 测 点 ， 5号 和 6号 为轴 向振 动测 点 。各 压 力传 感 器 、 振动 加 速 度 传 感 器 主 要 参 数 及 布 置 分 别 见 表 3 、 表 4 。 弹簧被动式 止回 1 号 压力 n 2 号 压 力 ＼ 4 号 振 动 3 号f 压力 s 管阀 泵 预压螺旋 6 号f 振动 图 1 传感器布置 表 3 压力传感器 主要参数及布置 表 4 振动加速度传感器主要参数及布置 2 试验 测试及 数据 分析 2 ．1 试 验 过 程 通过 主控程 序设 置泵 送量 并打 开活塞 泵开 始泵 送 ； 待泵送平稳后 ， 对各压力传感器 、 振动加速度传 感器及主活塞接近开关信号进行采集 ； 改变泵送量 重复 上述 操作 ， 操作 完毕后 停 机 。 2 ． 2 压 力和振 动信 号数 据分 析 为研 究输 送 泵 活 塞启 闭 、 S管 阀换 向对 管道 输 送过 程 的影 响 ， 分 析泵 送 量 为 3 O 时 ， 以上 2种执 行机构动作对管道沿程压力 和振 动信号的影 响强 弱 ， 得 出影 响管 道压 力 冲击 和 振动 的关键 因素 。 2 ． 2 ． 1 压力信号分析 输送泵及 S管阀动作引起 的管道 压力变化 如图 2 2 0 1 5年 第 5期 吕馥 言等 长距 离煤 泥输 送 管道 压 力冲 击和振 动试 验研 究 9 3 所示 ， 其 中 a b段为 输 送 泵活 塞 换 向阶 段 ， b c段 为 S管 阀换 向 阶段 。由 图 2可 知 ① 输 送泵 活 塞 换 向 时间 较 S管 阀换 向时 间长 ， 且 1 3号 测点 的压 力 变化 基 本一 致 ； S管 阀 换 向 时 ， 1 3号 测 点 的 压 力 变 化趋 势一 致 ， 但泵 出 口处 压 力 下 降 较 其 他 测 点 明 显 ， 2号 、 3号测点的压力下降基本一致 ， 换 向结束 ， 管 道沿 程正 向压 力 开 始 重 建 。② 输 送 泵 活 塞 换 向 时 ， 管 道沿 程压 力 出现 较小 的压 力泄 漏 ； S管 阀换 向 时 ， 管道沿程压力迅速减小 。 ＼ 2 5． 0 2 5 5 2 6 0 26 ． 5 27 0 27 5 28 ． 0 时 间／ s 图 2输 送 泵 及 S管 阀动 作 引起 的 管 道 压 力 变 化 2 ． 2 ． 2 振 动 信号 分析 输送 泵及 S管 阀动作 引起 的管道振动 变化如 图 3 所 示 ， 其 中 a b段 为 输送 泵 活 塞 换 向阶段 ， b c 段 为 S管 阀换 向阶段 。由 图 3可 知 ① 输送 泵 活 塞换 向 时 ， 泵 出 口处及 管道 沿 程并 未 产 生 明显 振 动 ； S管 阀换 向期 间 ， 泵 出 口处 及 管道 沿 程 振 动剧 烈 ， S管 阀 换 向结 束 后 ， 振 动 恢 复 至 S 管 阀 换 向 前 的 状 态 。 ② 管道 沿 程 的轴 向振 动 是 主要 振动 ， 径 向振动 只在 S管 阀换 向期 间微 弱 振 动 ， 输 送 泵 活 塞 换 向及 管 道 输送 过 程 中无振 动 。 羹 堇 一醛 。 囊 } 婷 。 蚕 ，8 ．0一 L ． ， 一 - N 三一 赌 _ 『 ．o 囊 至 一 熹 ．。 图 3输送泵及 S管阀动作引起 的管道振 动变化 由 以上分 析 可 知 ， S管 阀 换 向时 管 道 压 力 冲 击 和 振 动均有 较 大变 化 ， 而 输送 泵 活塞 换 向对 管 道 压 力冲击和振动影响较小 ， 因此 S管 阀换 向是引起管 道 压力 冲击 和 振动 的直 接原 因 。 2 ． 3 S管 阀换 向前后 管道 压 力和振 动 信 号分析 不 同泵送 量 下 ， S管 阀换 向前 后 管 道 压 力 曲线 和 振 动信 号时 域波 形如 图 4所示 。可看 出不 同泵 送 量 时 S管 阀换 向前 后 管道 压 力 曲线 变 化 基 本 一 致 ， 振动信号均在 s管 阀换向时产生 明显振动 ； 泵送量 的变化 对管 道 压力 和振 动 的影 响不 明显 。 日 ， 一l 号； ⋯。 。 2 号；⋯3 号 粪 i 4 9轴 向 妻 -- 二19 ；．．．．二．29 ；- - 39 豳2 舞 时间／ b 6 O 泵 送 量 差 -- 1二9 ；．．．．．2二9 ；-- 39 辩2713 4 9径 向 1 5 2 O 时间／ 0 茎 E二 -- 19 ；．．．．．二29 ；--- 39 5 1 0 l5 2O 25 童 一 e 宴 一 N ． ∞ ． g一一 N ． ∞ ． 邑一 g一 ＼ 趟瑙曩 ＼ 嚣 ＼ 艘曩 加● 加● N ． ∞ ． g一一 目 ＼ 最 ＼ 景 加● 一 N ． ∞ ． 暑 一 一 N ． ∞ ． 暑 一 ＼ 趟 曩 ＼ 煅曩 9 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 对 不 同泵 送量 下 S管 阀换 向前后 管道 沿程压 力 变化 进行 统计 ， 见 表 5 。从 表 5可看 出 ① S管 阀换 向后 泵 出 口处 压 力均 降为 0 MP a ， 泵送 量相 同时 ， 距 离 泵 出 口越远 ， S管 阀换 向前 后 其 压 力 变 化 幅值 越 小 。② 当泵送 量小 于 7 5 时 ， S管 阀换 向前 后 的压 力 变化 幅值 随着 泵送 量 的增 大 而 增 大 ； 当泵 送 量 大 于等于 7 5 时， s管阀换向前后压力变化幅值 的变 化 幅度 较小 。 表 5 不 同泵送量下 S管 阀换 向前后管道沿程压力变化 o 3．4 o 3 ．4 3．4 o．6 Z．8 3．4 1．o Z ．4 4 5 4 ． 2 o 4 ． 2 4 ．2 1 ． 2 3 ． o 4 ． 1 1 ． 4 2 ． 7 6 0 5 ． 2 o 5 ． 2 5 ．2 1 ． 8 3 ． 4 5 ． 1 2 ． 1 3 ． o 7 5 5 ． 5 o 5 ． 5 5 ．5 2 ． o 3 ． 5 5 ． 4 2 ． 3 3 ．1 9 0 5 ． 6 o 5 ． 6 5 ．6 2 ． 2 3 ． 4 5 ． 6 2 ． 5 3 ．1 对 不 同泵送 量下 S管 阀换 向时管 道振 动信 号 的 有 效值 进行 统计 ， 见 表 6 。从 表 6 可 看 出 ① 除 6 号 轴 向振 动测 点 外 ， 当泵 送 量 小 于 7 5 时 ， 管 道 振 动 信 号 的有效 值 随泵 送量 的增 大 而 增 大 ； 当 泵送 量 大 于等 于 7 5 时 ， 管道 振 动信号 的有 效值 随 泵送 量 变 化 仅在 较小 的 区间 内变化 。② 相 同条 件 下 ， 在低 泵 送 量 ／ b于等于 7 5 ％ 时 ， 煤 泥输 送 管道 泵 出 口处 的 轴 向振动大于其径向振动 ， 且泵送量越低 ， 其轴 向振 动相 比径 向振动 越 明显 。 表 6 不 同泵送量下 S管阀换 向时管道振 动信号有 效值 泵送量／ 振动信号有效值／ m s 4号轴 向 4号径向 5 号轴 向 6号轴向 3 0 o ． 3 5 0 o ． 1 0 4 o ． 2 5 5 o ． 6 9 8 4 5 o ． 4 9 3 o ． 2 7 4 0 ． 3 9 4 0 ． 6 1 0 6 0 0 ． 6 9 9 0 ． 5 2 2 0 ． 6 1 4 0 ． 6 5 0 7 5 0 ． 7 5 1 0 ． 6 1 8 0 ． 7 5 1 0 ． 6 9 2 9 0 0 ． 7 2 6 0 ． 7 6 8 0 ． 7 61 0 ． 7 6 4 3 结论 1 在长 距 离 煤 泥输 送 管道 系统 中 ， 对 引起 管 道压 力 冲击 和振 动 的 2 种 执行 机构 的动作 影 响进行 了分 析 ， 得 出 S管 阀换 向是 产 生 管道 压 力 冲击 和振 动 的 直接原 因 。 2 研 究 了不 同泵 送 量情 况 下 S管 阀换 向时 ， 管 道压 力 冲击 和振动 强度 与泵送 量 的关系 。当泵 送 量小于 7 5 时， s管阀换向时的管道压力冲击和振 动强 度均 随泵送 量 增 大 而增 大 ； 当泵 送 量 大 于等 于 7 5 时 ， s管 阀换 向时 的 管 道 压 力 冲击 和振 动 强 度 随泵送 量变 化仅 在较 小 的区间 内变化 。该 结论 可用 于指导工业现场煤泥输送管道选择合理的泵送量。 3 当泵送 量小 于等 于 7 5 时 ， 煤 泥输 送 管 道 系统 在泵 出 口处 的轴 向振 动强度 大 于其径 向振 动强 度 ， 且 泵送 量越 小 ， 轴 向振 动较径 向振 动越 强烈 。 参 考 文 献 LI Na ， HAO Xu e d i ， J I A Xu a n k a i ， e t a 1 ． M e a s u r e me n t o f b u l k mo d u l u s a n d s t u d y o f i t s i mp a c t o n t r a n s p o r t c h a r a c t e r i s i c s f o r d e n s e p a s t e [ J ． A d v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h ， 2 0 1 3， 7 5 3 ／ 7 5 4 ／ 7 5 5 1 8 8 2 1 8 8 6 ． 张小 巍． 煤泥煤矸石混烧技术 的开发应用 [ J ] ． 中国煤 炭 ， 1 9 9 9， 2 5 1 2 2 8 2 9 ． W U M ， Z HA0 X Y， J I N Y， e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n a n d n e w d e v e l o pme n t o f pi pe l i n e t r a ns p 0r t a t i 0n f o r v i s c o us a n d de ns e ma t e r i a l wi t h hi gh c on c e nt r a t i o n [C ／ ／ T h e 2 n d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n M u l t i pha s e， Non Ne wt o ni a n a nd Re a c t i o n Fl ows ， Ha ng z ho u， 20 0 4 41 8 4 21 ． 魏庆元． 管道输送系统在固体物料运输中的应用[ J ] ． 重 庆 建 筑 大 学 学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 1 4 5 4 8 ． 姚晓 ， 邓敏 ， 唐 明述． 油 井水 泥浆 流变 模 型研究 进 展 [ J ] ． 南京 化工大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 1 4 7 3 7 8 ． DU Y G。TYAGI R D。SREEKRI SHNAN T R． Ope r a t i on a l s t r a t e gy f or me t a l h i o i e a e hi n g ba s e d on P H me a s u r e me n t s[ J ] ．J o u r n a l o f E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g， 1 9 9 5， 1 2 1 7 5 2 7 5 3 5 ． HA0 Xu e d i ， L I Na ， 儿A Xu a n k a i ， e t a 1 ． M e a s u r e me n t o f bu l k mod ul us of e l a s t i c i t y o f d e ns e p a s t e s a nd i t s e f f e c t s o n f l o w r a t e i n l o n g p i p e l i n e[ J ] ．Mi n e r a l s En g i n e e r i n g， 2 0 1 3， 4 9 8 1 4 5 1 5 3 ． 赵力电． 压力 管道振 动分析 [ J ] ． 中国设备 工程 ， 2 0 0 7 1 3 6 - 3 7 ． 梁小燕 ， 赵玉成 ． 给水 管道振 动信号 的小波 分析及 消 振研 究[ J ] ． 中国安全科 学学报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 2 7 l 一 7 2 ． 张娜 ， 马星 民， 王 黔 兴 ， 等． 预压 螺 旋 的研 究 与 应 用 I- J ] ． 机电产品开发与创新 ， 2 0 0 7 ， 2 0 3 4 7 4 8 ． ] ] ]]J ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ [ [rL [ [ [ [ [ [