浆体管道输送临界流速的研究.pdf

第3 6 卷第1 期 2 0 1 6 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U l l G I C A LE N G D 砸凰R D i G V o I ．3 6 №l F e b r u a r y2 0 1 6 浆体管道输送临界流速的研究① 李安1 ，曹书荣1 ，刘宏波1 ，孙伟1 ，卢 勇2 1 ．中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ；2 ．湖南大学流体力学及装备研究所．湖南长沙4 1 0 0 8 2 摘要全面深入分析了大量物料浆体的试验与运行数据，从物料特性与浆体紊动强度两个重要因素分析浆体浓度对管道临界流 速的影响，基于能量守恒提出了合理、实用的浆体管道输送临界流速公式。 关键词临界流速；管道输送；粒级组成；紊动强度 中图分类号T D 5 2 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 6 ．0 1 ．0 0 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 6 0 1 0 0 2 6 0 4 C r i t i c a lF l o wR a t ef o rS l u r r yP i p e l i n eT r a n s p o r t a t i o n UA n l ，C A OS h u ．r o n 9 1 ，L I UH o n g b 0 1 ，S U NW e i l ，L UY o n 9 2 1 ．C h i n aP e t r o l e u mP i p e l i n eE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ，L a n g f a n g0 6 5 0 0 0 ，H e b e i ，C h i n a ；2 ．I n s t i t u t eo fF l u i dM e c h a n i c s a n dE q u i p a g e ，H u n a nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t A f t e rt h et h o r o u g ha n a l y s i so ft h et e s tr e s u l t sa n do p e r a t i o nd a t ao fs l u r r yt r a n s p o r t a t i o n ，t h ee f f e c t so fs l u r r y c o n c e n t r a t i o no nt h ec r i t i c a lf l o wr a t eo f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n w e r ed i s c u s s e di nt e r m so fs l u r r y p r o p e r t i e s a n d t u r b u l e n c ei n t e n s i t y ．A ne q u a t i o nf o rc a l c u l a t i n gt h ec r i t i c a lf l o wr a t eo fs l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o np r o p o s e da c c o r d i n g t oe n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r yh a sp r o v e nt ob er a t i o n a la n dp r a c t i c a l ． K e yw o r d s c r i t i c a lf l o wr a t e ；p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ；s i z ef r a c t i o n ；t u r b u l e n c ei n t e n s i t y 浆体管道水力输送与其它运输方式相比，具有连 续作业、输运能力大、管道埋入地下不占土地和不受气 候条件影响、对沿程环境没有污染以及运输成本低等 一系列优点。同时浆体管道水力输送易于适应地形， 容易翻山越岭、跨越江河与山谷，是矿产资源运输的一 种最适用和最经济的运输方式，因此在煤矿、金属与非 金属矿山、海洋矿物开采等领域得到了广泛应用，管道 水力输送技术得到了不断地发展。研究者一直期望得 到一个纯理论的临界流速公式，从而摆脱管道工程设 计对环管试验的依赖，提高管道工程设计效率，确保管 道运行安全和低运行成本。迄今为止，D u r a n d 、W a s p 、 S h o o k 、刘德忠、费祥俊和邹伟生等均提出了有代表性 的临界流速公式。J ，这些公式从不同角度对临界流 速进行了研究，由于各自研究的固体物料、试验条件与 手段以及研究目的存在一定的差异和局限性，在各自 的研究范围中这些公式具有一定的适用性。但这些公 式均存在不足，如在计算同种物料浆体在相同管径中 的临界流速时，其值总是随浓度增加而增加，与环管试 验和工程实际严重不符。因此可以认为这些公式没有 全面合理反映浆体管道临界流速变化特征，所以其实 用性也大大降低。 1 影响临界流速的因素分析 管道水力输送中的浆体流动主要分为均质流和非 均质流。浆体是水和固体颗粒组成的一种混合物，固 体颗粒的粒级组成分布较宽，浆体在管道断面存在浓 度梯度，粗颗粒作为非均质在管道下部运动，因此在实 际工业管道输送中绝大部分以非均质流的形式输送， 这也是由固体物料自身的特性和提高管道输送的经济 性和安全性所决定的。目前国内外学者对于临界流速 的判定还存在一些差异，D u r a n d 把管道底部将要出现 颗粒淤积状况时的流速作为临界流速；G r a f 把固体颗 粒由悬浮状态沉淀下来形成固定底床时的流速作为临 界流速；T h o m a s 主张采用管道底部颗粒出现不动或滑 动时的流速作为临界流速；费祥俊、王绍周等人认为应 将固体颗粒由悬浮状态转为在床面滚动或滑动时的流 速作为临界流速，即“l 临界不淤流速”；邹伟生认为应 将浆体的粗颗粒在管道底部作慢速滑移时的流速作为 ①收稿日期2 0 1 5 - 0 9 - 2 6 作者简介李安 1 9 7 7 一 ，男，陕西城固人，高级工程师，主要研究方向为油气储运与管道输送。 万方数据 第1 期李安等浆体管道输送临界流速的研究 临界流速。由于研究人员对临界流速的界定不同，导 致在试验中对临界流速判定存在差异，从而使他们提 出的临界流速公式也有较大差别。本文通过对大量浆 体物料特性以及管道输送试验与实际工况的分析，认 为采用浆体的粗颗粒在管道底部作慢速滑移的观点更 合理。 管道水力输送的物料种类繁多、粒级组成分布广 泛，所以组成浆体物料的特性存在很大的差异。通过 对数十种物料浆体临界流速试验结果的研究，可以发 现随着这些物料浆体浓度增加，不同物料浆体的l 临界 流速变化差别很大，如图1 所示。 ， ， 昌 嘲 螺 礁 蝗 图1不同物料浆体浓度与临界流速的关系 通过图1 可以看出，输送浓度的变化对固体物料 浆体临界流速的影响可以分成3 种情况，相应地可以 将这些物料分为3 大类第1 类，临界流速较小，随着 物料浆体浓度增加，临界流速不断增加，且增幅较大。 第2 类，临界流速较大，随着物料浆体浓度增加，临界 流速不断减小，且减幅较大。第3 类，临界流速中等， 介于上述两者之间，随着物料浆体浓度增加，临界流速 基本不变，即其变化幅度较小。 通过对同种类的物料浆体的粒级组成分析可知， 第1 类浆体对应的固体颗粒粒级组成相对较细；第2 类浆体对应的颗粒粒级组成相对较粗；第3 类浆体对 应的颗粒粒级组成介于上述两者之间。因此输送浓度 对临界流速的影响与组成浆体物料的粒级组成相关。 大多数物料的输送需在紊流条件下进行，首先水 流因悬浮固体颗粒而消耗紊动动能，因而减弱了水流 的紊动强度。其次，浆体紊动强度的变化与物料的粒 级组成密切相关，通常细颗粒对紊动强度具有抑制作 用，粗颗粒具有增强紊动强度的作用∽。9 1 。随着浓度 增加，细颗粒与粗颗粒对浆体紊动强度的作用不断加 强。陈立等叫通过研究泥沙对挟沙水流流动结构的 影响，发现浆体紊动强度的变化不仅与物料的粒级组 成有关，还与水流自身的紊动强度有关。此外，浆体中 细颗粒通过聚凝作用形成的絮团或絮网对浆体紊动强 度具有抑制作用，浆体紊动作用又对絮团或絮网具有 促进和破坏作用‘n - 1 2 ] ，这些影响因素使得浆体紊动强 度的变化相当复杂，这些变化是物料特性与浆体紊动 强度共同作用的结果。体现在流变特性上，浆体粘度 越高对紊动强度的抑制作用越大，并对絮团或絮网的 形成有一定的促进作用。 通过物料特性与浆体紊动强度来分析输送浓度变 化对临界流速的影响。物料颗粒粒级组成宽广使得浆 体中含有一定数量的细颗粒，浆体浓度增加以两种方 式影响着临界流速的变化一方面，由于输送浓度增 加，使其需要悬浮的固体颗粒数量增加，而需提供的维 持悬浮的能量增加，同时随着输送浓度增加，管道中的 紊动强度也越来越被抑制，这样也就需要提供更多的 能量使颗粒悬浮，因此临界流速随浆体浓度增加而增 加；另一方面，在一定的输送速度下，由于浆体中的细 颗粒能与水构成几乎为均质的载体，而使粗颗粒沉降 速度减小，即产生所谓的干涉沉降现象，从而使临界流 速有下降的趋势。当前一方面的因素起主要作用时， 临界流速就随浆体浓度增加而增加；当后一方面的因 素起主要作用时，临界流速就随输送浓度增加而下降。 第1 类浆体的粒级组成相对较细，细颗粒抑制管道中 的紊动强度起主要作用，使得临界流速随浆体浓度增 加而增加；第2 类浆体的粒级组成相对较粗，产生明显 的所谓干涉沉降现象，从而使临界流速随浆体浓度增 加而下降；第3 类浆体的粒级组成介于上述两者之间， 随浆体浓度增加，引起临界流速增加和减小的两种作 用基本相同，使得临界流速基本不变。因此将第1 类 浆体称作细粒级组成浆体，将第2 类浆体称作粗粒级 组成浆体，第3 类浆体称作中等粒级组成浆体。细粒 级组成浆体临界流速较小，用于磨料的成本高；粗粒级 组成浆体临界流速较大，输送阻力大使运行成本增加； 中等粒级组成浆体临界流速介于两者之间，浆体管道 运行平稳，因此，中等粒级是比较适合输送的粒级 组成。 2 基于能量守恒的浆体管道临界流速 计算公式 管道中非均质流的总能量除了一小部分消耗于 粘性摩阻损失和固体颗粒推移运动消耗的能量外， 大部分转化为紊动动能，当非均质流浆体的流速在临 界流速附近时，消耗于固体颗粒推移运动的能量将会 更少；而管道中清水水流的总能量几乎全部转化为紊 动动能。 万方数据 矿冶工程 第3 6 卷 在温度、管道、流速等一定的条件下，非均质流与 若令 清水水流之间紊动动能的差异是由非均质流中固体颗 粒的存在引起的。假设单位流体的非均质流和清水水 流消耗的总能量分别为E 。和E ，维持非均质流中固体 “一 颗粒悬浮而消耗的能量为W ，则W 的表达式为 W S v 以一7 ∞ 式中y 。和y 分别为非均质流中固体颗粒和清水的容 重；t o 为固体颗粒在体积浓度为S ，的浆体中的沉降速 度。对于沉降速度∞，根据对试验数据与物料特性的 分析，采用R i c h a r d s o n 等呤1 提出的颗粒悬浮状极限流 速 即使固体颗粒悬浮的临界沉速 公式计算更合理， 沉降速度∞的表达式为 ∞ ∞o 1 一S y “ 式中∞。为固体颗粒在清水中的沉降速度；根据斯托克 斯区的大量试验，指数m 4 ．6 5 - 4 ．9 1 。 由于管道输送中流体的总能量主要转化为流体紊 动动能，而维持固体颗粒悬浮而消耗的能量形又取自 紊动动能，故 ‰岛恐S y 讥一y ∞ E m E 1 式中妊为非均质流中粘性摩阻损失和固体颗粒推移 运动消耗的能量；也为非均质流中浆体紊动强度影响 系数；K s 为非均质流中二相载体干涉沉降影响系数。 单位流体清水水流的总能量E 和水力坡度i 以及 非均质流的总能量E 。和水力坡度i 。的表达式分 别为 E 7 扰 i 型 一s o2E U i m57 mm P7 。K 警等 式中，和厶分别为清水和非均质流的范宁摩阻系数； U 为流速；g 为重力加速度；D 为管道内径；7 。为非均 质流浆体的容重；K m 为非均质流水力坡度修正系数。 将式 2 代入式 1 并化简，可得 妊岛鼠S y 讥一7 ∞ y 。U ／。一y U ／ ， ，，3～2 等 k 厶旦一n 3 g u 7 由于式 3 是在使固体颗粒悬浮的临界状态下得 到的，所以式 3 中流速U 也就是临界流速％，通过 式 3 可以求出临界流速％的关系式 U c K N K z K s k a 生一上 77 m [ 警2 f y 】了㈤ 【 。 J K N K z K s k a 生一上 7y 。 则临界流速％的表达式为 U c K 『翌业[ 翔了 5 【 2 f y 。 J 式中K 为综合影响系数，与颗粒物料特性、浆体流变 特性、浆体紊动强度和干涉沉降作用等因素有关；a 为 减阻系数，与浆体相对粘度有关。通过对物料特性、浆 体流变特性、浆体紊动强度以及大量物料浆体试验数 据的综合分析，引入管道颗粒流速修正系数k ，得到了 综合影响系数K K 叫护 札，了I } l 式中以为浆体的相对粘度；d ，。为小于该粒径的颗粒含 量占5 0 ％的颗粒粒径；d 为所有颗粒的平均粒径；咄为 小于该粒径的颗粒含量占9 5 ％的颗粒粒径。 最终求得的临界流速公式为 ％嘲谢叫【警】了㈤ 其中后为无量纲常数。 该管道临界流速公式不仅反映了浆体浓度、浆体 粘度、管道内径、颗粒沉降速度、管道摩阻系数等因素 对临界流速的影响，也反映了物料特性 如颗粒粒径 组成 与浆体紊动强度对临界流速的影响。由于式 6 中的清水范宁摩阻系数，涉及到输送流速，所以 该临界流速公式在实际应用时，需要先假设一个流 速，然后再进行临界流速计算，一般两三次试算即 可。根据作者经验，进行3 次试算即可得到非常满意 的结果。 3 临界流速公式的验证与分析 应用本文提出的临界流速公式分别计算了3 种典 型物料的临界流速，并将这些计算值与实测值进行了 对比，如图2 所示。从图2 可知，计算结果代表了细粒 级、中等粒级和粗粒级3 种浆体I I 缶界流速变化规律，并 且计算值与实测值相近。由于本文提出的临界流速公 式更全面地考虑了影响临界流速的诸因素，从而克服 了以往临界流速计算公式的不足。图3 为长沙矿冶研 究院管道输送研究实验室的部分实测结果与计算结果 的对比，验证了本文计算公式的合理有效性。 万方数据 第1 期 李安等浆体管道输送临界流速的研究 ， ， 鲁 型 培 母鲁 蝗 f ， 昌 瑚 堪 酞 坦 ．， ， 暑 1 ．2 5 时，固体颗 粒粒级组成为细粒级；当P 。 0 ．9 时，颗粒粒级组成为 粗粒级；当O ．9 ≤只≤1 ．2 5 时，颗粒粒级组成为中等粒 级。通过此判别方法可简单快速地判断物料颗粒粒级 组成级别，并根据颗粒粗细，预测确定管道输送中临界 流速与浆体浓度的关系。 4 结论 1 通过分析众多固体颗粒浆体管道输送试验临 界流速的变化规律，提出将固体颗粒划分为细粒级、粗 粒级和中等粒级3 种类型，理论分析了3 种类型浆体 临界流速的变化规律。 2 基于能量守恒提出的浆体管道临界流速公式， 包含了影响临界流速的诸因素，弥补了以往临界流速 公式的不足，其计算结果与浆体临界流速实测值相接 近，变化规律相符，对管道工程设计具有指导意义。 3 基于论文中的固体颗粒粒级组成粗细判别系 数，提出了确定固体物料浆体类型的方法。 4 固体颗粒的临界流速公式的推导思路与研究 方法、颗粒粒级组成粗细判别方法具有一定的创新性， 对于进一步研究临界流速具有重要的作用。 参考文献 [ 1 ] W a s pEJ ．S o l i d L i q u i df l o ws l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n [ M ] ．T r a n s T e e hP u b f i c a f i o n s ，1 9 7 7 ． [ 2 ] 费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[ M ] ．北京清华大学出版 社，1 9 9 4 ． [ 3 ] 王邵周．粒状物料的浆体管道输送[ M ] ．北京海洋出版社，1 9 9 8 ． [ 4 ] 邹伟生．铁精矿浆体管道输送试验研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 5 1 0 3 0 3 3 ． [ 5 ] 郗夏楠，孙西欢，李永业，等．管道水力输送临界流速研究进展综 述[ J ] ．山西水力，2 0 1 2 3 3 4 3 8 ． [ 6 ]陈光国，夏建新．我国矿浆管道输送技术水平与挑战[ J ] ．矿冶工 程，2 0 1 5 2 2 9 3 2 ． [ 7 ] 秦德庆，曹斌，夏建新．不同颗粒物料管道水力输送不淤I 临界流 速的确定[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 4 1 9 - 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