管道輸送泥漿阻力特性及堵管現(xiàn)象淺析

1、管道輸送泥漿阻力特性及堵管現(xiàn)象淺析,新海豚輪 頓純純 李 珩,一、引言,絞吸船輸送泥漿原理是通過離心泵產(chǎn)生負(fù)壓后，將泥漿吸起并經(jīng)過泥泵增壓后，通過管道將泥漿輸送至指定區(qū)域;泥漿是由固體泥沙和水相互混合而成，其流量大且濃度高，在輸送過程中，泥漿中的固體顆粒會(huì)逐漸分層沉積，聚集在管道的底部，引起泥漿淤積堵管和管道阻力增大等輸送問題; 堵管發(fā)生后，必須長時(shí)間泵送清水，不僅影響正常施工進(jìn)度，而且代價(jià)極大;研究管道輸送泥漿阻力的影響

2、因素，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施能有效減小管道阻力損失避免堵管現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)于提高船舶施工效率和降低能耗都具有重要的意義。,二、管道輸送泥漿阻力損失機(jī)理,采用管道輸送的泥沙，一般為非均質(zhì)流漿體。在水流強(qiáng)度作用下，漿體濃度沿垂直管軸線表現(xiàn)為上稀下濃，顆粒上細(xì)下粗的分布規(guī)律;在輸送過程中，泥沙顆粒分別以懸浮、跳躍、滾動(dòng)和滑動(dòng)等多種狀態(tài)存在，在一定施工流速下，泥漿顆粒以懸移運(yùn)動(dòng)形式或推移運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)。 泥漿阻力損失的內(nèi)在機(jī)理在于泥漿運(yùn)動(dòng)過程的能量

3、耗散，主要表現(xiàn)為沿程壓力下降;能量消耗的影響因素：流態(tài)、粒徑、濃度、管壁粗糙度等,三、管路泥漿阻力消耗特性,第Ⅰ個(gè)階段，固體顆粒沉積于管底或在管底晃動(dòng)而不隨水流流動(dòng);第Ⅱ個(gè)階段 ,固體顆粒中較細(xì)的部分開始滑動(dòng)、滾動(dòng)或跳躍;第Ⅲ個(gè)階段 ,大部分固體顆粒處于間歇懸浮或跳躍狀態(tài);第Ⅳ個(gè)階段，絕大部分固體顆粒處于間歇懸浮或跳躍狀態(tài);第Ⅴ個(gè)階段，固體顆粒處于完全懸浮狀態(tài) .,三、管路泥漿阻力消耗特性,在同一管道流速下，泥漿濃度越

4、高需要總壓頭就越大;泥沙顆粒越粗，管道阻力將越大，相應(yīng)的曲線就將上升遠(yuǎn)離水平軸，否則曲線隨之下降靠近水平軸。,四、泥漿的臨界流速,臨界流速是影響管道阻力損失的主要因素。通常，可把固體顆粒從懸浮狀態(tài)下流速由大變小，直至開始滾動(dòng)、滑動(dòng)和沉積形成固定床時(shí)的最高流速，稱為臨界流速; 影響臨界流速大小的因素主要有泥漿濃度、土顆粒級(jí)配和形狀等;泥沙土顆粒粒徑越大，所需要的臨界流速越高。,四、泥漿的臨界流速,漿體流速低于臨界流速時(shí)，發(fā)生沉淀，管

5、道就有堵塞的危險(xiǎn)；漿體流速高于臨界流速時(shí)，大量的能量消耗在泥沙顆粒的均勻懸浮上，揚(yáng)程消耗增加。 實(shí)際泥漿流速越接近臨界流速，其管道阻力越小。當(dāng)管道斷面的平均流速剛好超過臨界流速時(shí)，管道阻力最小、功率最省。但對(duì)于長距離漿體管道輸送，必須要求輸送流速比臨界流速高一些。,四、泥漿的臨界流速,新海豚輪在連云港港30萬噸級(jí)航道先導(dǎo)試挖工程疏浚工程H1.1標(biāo)段施工時(shí)，由于其土質(zhì)狀況極為復(fù)雜，不僅有淤泥、硬塑性粘土、粗砂，還有40-60cm的鈣化結(jié)

6、核層，土質(zhì)分布不均勻，無一定規(guī)律可循，均勻質(zhì)粘性土的臨界流速和最低實(shí)用流速不能滿足該工程需要;經(jīng)新海豚輪較長時(shí)間的施工實(shí)踐總結(jié)，最終確定施工流速不能低于4.8m/s左右施工。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,排泥管道內(nèi)的阻力組成：泥漿從零開始加速直至變?yōu)榱魉偎枰膭?dòng)力；管路內(nèi)的阻力，影響因素有管徑、管長、土質(zhì)、濃度、粒徑等；其他阻力，如管路的彎道和縮口；吸口與排泥口的垂直間距產(chǎn)生的阻力。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)

7、措施,對(duì)整個(gè)管路輸送系統(tǒng)來說，泥泵所產(chǎn)生的有效揚(yáng)程在管路中阻力消耗后仍然要有足夠的能量使泥漿獲得輸送必需的動(dòng)能。 管路阻力損失是不斷變化的。泥泵機(jī)組所產(chǎn)生的有效揚(yáng)程與管路能量消耗之間的不平衡在參數(shù)上表現(xiàn)為施工流速變化和排壓的上升或下降。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,（1）施工操作當(dāng)平均施工流速較大時(shí)，一方面使得土顆粒間相互作用的程度加大，另一方面也使得水流支持土顆粒懸浮的能量加大。一旦管路的總壓頭小于能量消耗，流速就會(huì)

8、下降。漿體的紊流狀態(tài)也會(huì)因流速的下降而減弱，一旦低于輸送該種土質(zhì)條件下的臨界流速，管路內(nèi)高濃度的泥漿就會(huì)逐漸沉積，造成管道輸送阻力的上升。 瞬時(shí)泥漿濃度很高在流速接近臨界流速時(shí)特別有堵管的危險(xiǎn)，泥漿濃度的急劇上升提高了泥漿所需的臨界流速，同時(shí)高濃度的泥漿中含有的土顆粒（粘土團(tuán)、鈣化石塊等）會(huì)增加，施工流速變小會(huì)加速泥漿中土顆粒沉降，此時(shí)增加泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速要比逐步降低泥漿濃度更為有效。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,（2）土質(zhì)狀況

9、在一定的絞刀轉(zhuǎn)速下，絞刀在挖掘硬塑性粘土?xí)r，原狀土由于沒有得到充分粉碎和與水得到充分混合。在管道輸送過程中，泥漿中由于存在大量固體，固體與固體之間相互碰撞粘連，容易形成了體積較大的泥球，增大泥漿中顆粒物的沉降速度，泥質(zhì)顆粒的粒徑增大改變漿體運(yùn)動(dòng)所需的臨界流速，此時(shí)需要較高的施工流量才能避免管路堵塞，因此在此種狀態(tài)下，施工濃度不宜過高。 當(dāng)固體顆粒在管道中以懸浮質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，因泥沙的存在而增加的能量損失不因管道向上或向下而變化，但泥漿顆

10、粒以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，上傾管道要消耗更多的能量，而下傾管道則要減少能量消耗，但這一增一減不能相互抵消，施工過程中當(dāng)濃度較高時(shí)應(yīng)特別注意，應(yīng)避免在沉江管與岸管之間等過渡區(qū)域發(fā)生過度泥漿沉積而出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,2011年4月10日堵管時(shí)的曲線回放,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,（3）管線鋪設(shè)管線鋪設(shè)應(yīng)避免出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)彎，自浮管與沉江管之間的端點(diǎn)站要固定牢固，不能因水流影響而出現(xiàn)移動(dòng)，否則管路泥漿經(jīng)過

11、彎折區(qū)段時(shí)會(huì)引起額外的阻力消耗。同時(shí)當(dāng)遇有體積較大的固體物質(zhì)難以經(jīng)過時(shí)，即使平均施工泥漿濃度不高時(shí)，也會(huì)直接造成管道堵塞現(xiàn)象。 管路不能出現(xiàn)漏泄，否則泄漏點(diǎn)前后的流量會(huì)發(fā)生改變，引起管路內(nèi)流速的局部改變，若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，在漏泄點(diǎn)之后的泥漿會(huì)因流速的減小而沉降，引起管路阻力的逐步增大，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)發(fā)生堵管現(xiàn)象。,五、施工中的堵管現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施,2010年9月14日堵管過程曲線回放,六、結(jié)束語,管道輸送泥漿的水力特性極其復(fù)雜