浆体的物理特性与管道输送流速

第1期#设计与研究# 1

浆体的物理特性与管道输送流速

费祥俊

清华大学水电系 北京市 100084

=摘要>浆体管道的输送流速直接影响管道运输的安全与经济。以往由于没有把浆体的物理特性(即固体颗粒组成及浆体粘性)作为一个影响管道输送参数的重要因素来考虑,所以迄今为止,很多管道不淤流速公式未能摆脱纯经验性质而缺乏普遍的实用意义。本文通过分析及大量试验资料验证,系统研究了影响管道不淤流速的各项因素及浆体粘性的明显作用,因而阐明了一定条件下浆体浓度的提高,有利于降低管道输送流速,从而可以进一步提高管道输送浆体的综合效益。关键词:浆体管道 粘性 不淤流速 固体浓度

ThePhysicalPropertyofSlurryanditsVelocityofPipelineTransportation

FeiXiangjun

TsinghuaUniversity,Beijing100084

Abstract:Thevelocityofslurryinpipeeffecttheeconomyandsafetyoftransportation.Inrecentyearsmanyformulasofnonsettlingvelocityforslurryweredevelopedwithoutconsideringthecharacteristicofslurryasanimportantparameter,hencetheapplicationoftheseformulasislimited.Inthispaperbasedonthetheoryofsuspensionrheologyandbyusingagreatamountofex-perimentalmaterial,anewexpressionofnonsettlingvelocityisdeveloped.theinfluenceofslurryviscosity,solidconcentrationandthediameterofpipeonthenonsettlingvelocityisanalysedindetail.Theresultsofstudyindicatethatinagivenconditionthein-crementofsolidconcentrationandslurrywillbringtodecreasethecritcalvelocityinpipe.andItisfavourabletoincreasethecom-prehensiveefficiencyofslurrytransportbypipeline.

KeyWords:SlurryPipelin,Viscosity,NonsettlingVelocity,SolidConcentration

1 引 言

浆体管道输送以其经济效益高于传统的运输方式,70年代开始已应用于燃料(煤)及原材料(精矿、建材等)

的远距离输送。此外各类选矿厂的尾矿,电厂粉煤灰等工业固体废料以及河道的泥沙清淤,采用管道输送也以其工艺较简单,符合环保要求,在我国早已普遍应用。但这类浆体管道一般距离较短,对输送工艺参数的选择不够重视因而输送能耗及水耗较大,其效益明显偏低,据我国20个较大选矿厂1983年统计,管道输送尾矿总量4300万吨,输送的重量比浆体平均浓度14.2%,每吨干矿输送耗水量达6m3,而国外一般为1m3,输送能耗也远大于国外。这对资源相对缺乏的我国,不能不说是一种浪费。近年来情况有所改善,但仍然存在很大差距,更突出的问题是设备及管壁的磨损十分严重,这不仅增加运行费用,还会影响正常生产及对环境的污染,至于河道清淤的管道输送,其工艺更加粗放,效益也更低,造

成以上原因是多方面的,其中对输送参数缺少研究是重要原因。

2 浆体在管道中的流动状态与临界流速

工业浆体管道绝大部分属于非均质流输送,即垂向固体浓度分布存在一定梯度,管道输送最重要的参数是/不淤流速0,浆体由固体颗粒与水组成,输送流速太低,固体颗粒将分选沉降,以致堵塞管道,输送流速过高,虽可使颗粒充分悬浮,但将使一定管径的阻力随流速的平方成比例而上升,图1所示为一定管道内径下不同粒径d,按流速U而区分的几个流区。

在(1)区内,由于流速太低,固体颗粒沉在管底,基本不动,实线表示的是颗粒起动流速与粒径的关系。在(2)区内流速较高,颗粒开始运动。因为水流脉动的随机性,即使是均匀颗粒,也有不同的运动状态,即一部分颗粒沿管道底部作推移运动,一部分颗粒在管道中悬起作悬移运动,图中虚线表示的是绝大部分颗粒

2

管道技术与设备

2000年

浓度较低,固体颗粒较粗条件下试验得出的,CD值变幅很小,因此式(3)不淤流速公式也不适用固体浓度较高、颗粒很不均匀的近代工业浆体管道。如何能反映不同粗细颗粒组成对不淤流速的影响,克罗诺兹把非均匀的颗粒组成粗略地以平均粒径不同分为三组,分别给出相应的不淤流速公式,即

(1) d[0.07mm时,

图1 管道中流动状态分区示意图

UC=0.2(1+3.4

3

WD)B

3

(4)(5)(6)

作悬移运动时的下限流速,亦称/不淤流速0,该线以上的(3)区流速进一步提高,全部颗粒作充分的悬移运动。由图可见按不同粒径选用实线所示的管道流速显然是不安全的,选用(3)区以上(虚线以上)的流速,虽然安

全,但因流速过高管道阻力大,输送能耗大,因而是不经济的,所以管道的输送流速U从安全和经济角度考虑应选用略大于虚线所示的不淤流速UC或

U=kUC

(1)

式中系数k=1.05~1.10取决于UC计算的可靠程度,图1只是定性的示意一定管径下UC与粒径d的关系,50年代以来有人试图通过试验建立不淤流速公式的关系式,其中最著名的是Durand公式为

Qs-Q1

UC=FL12gD()(2)

(2) 0.07mm

CW

3

4

D)B

(3) 0.15mm

CWD)B

Cs-1

(7)

1.7

CW为重量比固体浓度,以百分数计,由以上各式可

/3

见UC都随C1增加而加大,这与实际情况不符(详见W的

后述)。

由于影响浆体管道不淤流速的因素较复杂,直到最近不断有人提出浆体管道不淤流速的计算公式,但绝大部分都根据各自环管试验观测结果得出的经验公式,忽视对UC有重要影响的浆体颗粒组成及流变特性,因此这些公式存在较大的局限性。在我国有关部门甚至还在应用克罗诺兹的公式。

式中FL与粒径及固体浓度SV有关,如图2所示,由图2可见,当粒径d>2mm以后,FL为一常数,表明粒径大于2mm以后不淤流速UC与粒径无关,图2也表明,只有当d较小时,固体体积浓度SV对FL才有影响。稍晚shook采用一定管径下流速与能坡关系线的最低处流速,定义为管道不淤流速,通过Durand阻力公式的求导,得出

2.43

Uc=

1s-Q

gD()SV1/4CD

3 浆体的物理特性

工业浆体的固体颗粒组成范围很广,特别是含有相当一部分的细颗粒,对浆体流动性有重要影响,因此浆体管道设计的可靠性有赖于对浆体物理特性的正确评价,这种物理特性集中地表现为其粘度随固体浓度的增加而迅速提高的变化规律,图3是两种铁尾矿(酒泉与昆钢大红山)固体比重及中值粒径基本相同(d=0.026~0.028mm),但颗粒组成不同,其浆体相对粘度(与同温度清水粘度之比)与固体体积比浓度的关系的流变试验结果。由图可见,颗粒组成不同对浆体粘度有明显的影响。

(3)

图2 系数FL与粒径及SV的关系

3 Lr~S

第1期#设计与研究# 3

有的人采用所谓堆积浓度SVm(不同大小颗粒堆积在一起达到的最大体积比)来反映颗粒组成的特性,推算得泥浆相对粘度的表达式为 Lr=11-k

SV-2.5

2(8)SVm

对于固体颗粒矿物成分基本相同的河道泥沙(主

相对粘度Lr=16,而铁尾矿相对粘度为Lr=7.4,浆体粘度的这种差别程度必然会影响管道输送的不淤流速。所以对于各种管道输送的工业浆体,必须要进行流变试验,确定不同浓度下的粘性。

4 浆体管道不淤流速的表达式

非均质浆体中固体颗粒由水流紊动作用支持其运动的,图1所示浆体在管道中流动的状态,表现为固体浓度垂向分布的均匀程度、浓度分布愈均匀流动状态愈接近(3)区。根据悬浮颗粒由于紊动而向上的交换率与由于重力而向下的交换率处于平衡状态时,即dSV

+XSV=0(9)dy

可以推得一定条件下垂向浓度分布关系式。上式左边 Es

第一项为颗粒由于紊动而向上的交换率,Es为颗粒的质量交换系数,y距底部边界的距离,X为颗粒在一定浓度浆体中的沉降速度,如假定Es可用动量交换系数Em代替,则有

SW(1-y/ym)

Es=Em#=(10)

QQdydy

式中SW是边界上的切应力,ym为自边界到液面的距为流速梯度,由流速分布公式求得,将式(10)代dy

入式(9)进行积分可得垂向浓度分布关系式离,

z)(11)ha

式中CA为高度为a的某一参考平面上的浓度。 C/CA=(

要矿物成分为伊利土)上式经验证是可信的,但工业浆体颗粒矿物成分各异,即使同为尾矿也有较大差别,流变试验结果表明,颗粒矿物成分对浆体粘性有影响,因此难以有象式(8)那样的统一公式来表达浆体的粘性,图4

是我们对我国部分尾矿进行流变试验结果得到的

11会东铅锌(CS=218,d90=0115,d50=0103mm) 21黄麦岭磷铵(CS=2176,d90=0115,d50=0108mm) 31汤丹铜(CS=2181,d90=01056,d50=01015mm) 41汤丹铜(CS=2181,d90=0115,d50=01028mm) 51汤丹铜(CS=2180,d90=0106,d50=01026mm) 61汤丹铜(CS=2178,d90=0111,d50=01048mm) 71汤丹铜(CS=2180,d90=0123,d50=0108mm) 81大石河铁(CS=2175,dPO=0117,dSO=0110mm)

图4 部分尾矿Lr与

SV

的关系1-SV

ymymX-1, ha=-1, Z=yaxu

式(11)关系已被实际管道中浓度分布的测验所证实, h=并可表示为

lgC/CA=-1.8Z

现在的问题是如能测得管道中浆体不淤时(或开始出现推移运动)的Z值以便推得不淤流速UC的关系式。我们利用浆体管道试验观测资料(试验浓度范围SV=0.15~0.52,管径范围D=57~205mm),从观测到浆体中上限粒径开始作推移运动的流速反求Z值,或yC=X90/u*值,这里X90为上限粒径d90在一定浓度下的沉速,试验观测资料表明yC与反映浆体管道的综合参数 1/3

X90(d)

90

SV

的关系,在半1-SV

对数纸上都表示为很好的直线,但不能统一为单一的浆体相对粘度Lr与固、液体积比

关系,这里除颗粒大小组成不同以外,颗粒矿物成分的差异是重要原因,例如图中的四川会东铅锌矿尾矿与云南昆钢大红山铁尾矿,其粒度组成基本相同,但在相SV

同浓度下,如SV=0.35,(=0.538)铅锌尾矿的

V

13)

4

有密切关系,如图5所示,并可写作

yC=1.258

或

X90X90

=u*U

=1.25

8f

管道技术与设备

2000年

由表1计算结果可见,浆体粘度对管道不淤流速

(14)(15)

的影响是明显的,而现有的各种不淤流速UC的经验公式都不考虑浆体粘度这一影响因素,因而也无从考虑由于温度变化引起对不淤流速的影响,表列数据也示出由于管道内径增大对不淤流速增加的情况。5.2 浆体浓度变化对不淤流速的影响

浆体浓度增加对不淤流速的影响有双重作用,一是浆体浓度增加,使紊动有所减弱,要求提高流速,以维持颗粒的悬浮,二是浆体浓度增加,使颗粒沉速相应下降而变得更易悬浮,因而可以减少流速,这双重作用结果会出现在某一浓度下要求最大的不淤流速,我们也用实例加以说明,某尾矿Cs=2.7上限粒径d90=0.15mm,其平均粒径 d=0.094mm,流变试验结果的V

关系见图4所示。当管径D=148mm时,1-S

按式(16)计算不淤流速UC与浆体重量比浓度CW的关系,其结果如图6,(3)线图中点据为管道试验中实Lr~

测不淤流速与计算结果基本一致,图6同时示出当浓度为CW=30%时,不淤流速为最大,如用克氏公式,

(16)

则上述平均粒径适用的公式为式(5),计算结果的,UC~CW关系如图中的(1)线所示,图中同时示出按式(3)计算的UC~CW关系即(2)线。

图5 yC~8关系

将式(13)代入上式,经化算得浆体管道不淤流速关系式为

d901/31/4s

UC=(-1)()#SV

Dm式中阻力系数可表达为

f=A@0111(+)0125

DRe

雷诺数Re以基于浆体粘性L来计算的,即

Re=

(17)

UDCm

(18)

gL

式中系数A为因紊流减阻作用对f值的修正系数一般A=018~019。式(16)不淤流速表达式与已往各种公式不同,便是引入了阻力系数f,这使不淤流速与浆体粘度联系起来。

图6 浆体浓度对管道不淤流速的影响

5 桨体管道不淤流速关系式的验证与分析

5.1 浆体粘度对不淤流速的影响

由式(16)可见,当其他条件不变时,管道阻力系数f将因浆体粘度增加而加大,因而不淤流速相应减少,如以第3节所示的两种粒度基本相同的会东铅锌尾矿及昆钢大红山铁尾矿为例,由于其同浓度下粘度的差别,在各级管径下的不淤流速计算结果如表1所列。

表1 管道不淤流速UC的计算结果(UC以cm/s计)

管内径(mm)

150200300

会东铅锌尾矿Lr=1610

119131150

昆钢大红山铁尾矿Lr=714

132145165

5.3 桨体颗粒组成及上限粒径对管道不淤流速的影响由式(16)可见,浆体上限粒径d90对不淤流速有明显的影响,因此控制浆体颗粒组成,尤其是上限粒径,对于降低不淤流速,减轻设备及管壁不均匀磨损有重要意义,我们曾对某尾矿提供的两种矿样,其上限粒径分别为d90=0.23mm及d90=0.145mm(比重均为Cs=2.8)平均粒径分别为 d=0.113mm及d =0.07mm。根据流变试验结果,在浓度CW=50%时(SV=0.263),浆体相对粘度分别为Lr=6.4及Lr=7.8,按式(16)计算不淤流速UC与管径关系如图7所示,两种矿样由于上限粒径不同,在相同管径下UC值有很大差别(见图7实线所示)如按克氏公式,在上述平均

(下转第8页)

注

:d= rs=218

8

管道技术与设备

2000年

资料,相应洪水期的河段来水来沙过程,模型出口处的水位)流量关系(或其它边界控制条件);

(2)设计资料 模拟河段进口处的流量含沙量设计过程;模拟河段采用的河道地形图(根据模拟精度要求选择地形图比例尺),模型出口处的水位)流量关系(或其它边界控制条件)。3.3.3 计算区域的确定。3.3.4 验证计算。3.3.5 方案计算。3.3.6 分析结论。

的工作,在我国管道水工保护工作的地域分布上形成一个完整的概念和全面的认识,有利于提高管道运输管理水平。

4.2 管道埋设设计中河床一般冲刷的估计是设计任务的重要内容,本次研究根据试验结果和部分天然河流资料分析研究了河床洪水冲刷的机理并提出了洪水冲刷深度的估算公式,很显然,这样一个十分复杂并且重要的问题,还需要更多的资料验证和实践检验,需要在今后的工作中不断完善甚至必要的修正,包括收集更多的资料,使计算公式更广泛、更具有代表性。4.3 数值模拟是当前研究管道穿河问题的重要工具,实践证明,这一工具在预报河道河势变化、分析河床演变趋势方面确有重要作用,但这一工具具有很强的技术性,使用起来需要有一定的专业基础知识,并要求有相当程度的有关资料准备,模型使用人员对于模型有一定的熟悉程度,才能较好的达到使用效果,这就要求本项工作中开发的数值模拟方法已初步具备实际应用条件,但对于管道埋设穿河的情况,一般河段较短,相应来说,二维模型的边界条件较难完善提供,相对复杂,计算结果的后续处理往往也是一个技术性很强的工作,建议结合今后的管线穿河埋设工程对模型进行检验,通过更多的实际河流资料计算,发现问题,完善模型。

(收稿日期:1999年10月5日)

4 今后工作方向和建议

本次研究工作对管道水工保护问题进行了系统研究,包括我国管道水工保护工作的现状、普遍存在的问题,垂直冲刷的经验计算公式、河道平面变形计算模式等问题,这在我国管道发展史上还是首次。由于问题复杂,时间较短,尽管进行了广泛和深入的工作,目前的工作还只是开拓性和初步的,还有许多后续工作有待进一步开展。

4.1 我国是一个幅员广阔、地貌特性复杂的国家,河道类型多种多样,本次研究工作虽然就一些问题比较突出的河流进行了调查,但还有一些河流需要进一步的工作,尤其是南方一些河流,包括华东、华南等区域,这些区域在宏观上河床演变不如北方河流如此剧烈,但仍然存在相当的穿河管线安全问题。通过更加全面(上接第4页)

粒径范围内都可按式(5)计算UC,其结果如图7虚线所示,分不出颗粒组成及上限粒径不同对UC

的影响。

输送浓度偏低,通过上述讨论,可以清楚地看到一定浆体物理特性下,输送浓度的提高可使不淤流速及输送流速下降,因而有利于减少能耗和管道磨损,同时也节约了单位运量的清水消耗q,按

(1-SV)C

(m3/t)

SVCs1-CW

或 q= (t/t)(19)

CW

本文讨论的浆体管道不淤流速,是管道输送中最重要的参数,关于其他参数如浆体管道阻力,输送浓度

q=

与管径选择无不与不淤流速有关,限于本文篇幅,有待另文讨论。

(收稿日期:1999年11月22日)

图7 浆体组成及上限粒径对管道不淤流速的影响

6 小 结

本文开始提到我国尾矿管道效益低的主要原因是