深海揚(yáng)礦系統(tǒng)中顆粒過(guò)泵回流試驗(yàn)研究

王英杰，陽(yáng) 寧，金 星

(長(zhǎng)沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410012)

深海揚(yáng)礦系統(tǒng)中顆粒過(guò)泵回流試驗(yàn)研究

王英杰，陽(yáng) 寧，金 星

(長(zhǎng)沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410012)

兩相流過(guò)泵回流試驗(yàn)是模擬水力提升系統(tǒng)緊急停泵情況下垂直管道中顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，緊急停泵時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)堵管、難于輸送等現(xiàn)象。為提高管道水力輸送安全性，采用三種不同的模擬結(jié)核顆粒(粒徑分別為d≤10 mm，d≤20 mm，d≤50 mm)，兩種不同濃度(CV=5%，CV=8%)，在兩級(jí)泵額定流量Q=420 m3/h條件下進(jìn)行了過(guò)泵回流試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)結(jié)果，從多個(gè)方面總結(jié)了堵管原因。認(rèn)為實(shí)際工程中應(yīng)該嚴(yán)格控制顆粒上限粒徑，采用合適的顆粒級(jí)配，并對(duì)管道定期進(jìn)行清洗，盡量減少管道的大角度轉(zhuǎn)彎和斷面突變。

深海采礦;水力提升;回流;錳結(jié)核顆粒

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，資源的供求矛盾也日益突出。礦產(chǎn)資源作為不可再生資源，其供求關(guān)系尤為嚴(yán)峻。隨著陸地礦產(chǎn)資源的日益匱乏，人們把目光投向了海底礦產(chǎn)資源［1］。這其中，深海礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)是海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)的最前沿，它標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)海洋資源的綜合能力和技術(shù)水平。在海洋資源開(kāi)采方面，比較成功的技術(shù)是以美國(guó)公司為主的跨國(guó)財(cái)團(tuán)提出管道提升開(kāi)采系統(tǒng)，然而在此系統(tǒng)中，顆粒過(guò)泵回流是一個(gè)令人十分頭疼的問(wèn)題。由于海上自然環(huán)境比較惡劣，深海采礦商業(yè)開(kāi)采中，正常的工業(yè)開(kāi)采過(guò)程中難免會(huì)遇到各種緊急情況，揚(yáng)礦系統(tǒng)故障停泵時(shí)，近6 000 m的垂直管道內(nèi)將存有數(shù)十噸結(jié)核［2］，垂直管中的結(jié)核一旦堆積無(wú)法排放，整個(gè)采礦系統(tǒng)的安全性將受到極大威脅。在茫茫大海中，倘若遇到礦石在垂直管中堆積的緊急情況，通過(guò)人工是無(wú)法及時(shí)排除的。輕則可能使管道變形損壞，破壞正常的工業(yè)生產(chǎn)。重則使整個(gè)采礦系統(tǒng)癱瘓，堵塞管以下的揚(yáng)礦泵、中間倉(cāng)以及各測(cè)控系統(tǒng)會(huì)因累積礦石壓力過(guò)大而損壞［3］，由此而帶來(lái)的損失是不可估量的，這使人們不得不關(guān)注過(guò)泵回流時(shí)出現(xiàn)的堵管問(wèn)題。

然而當(dāng)前幾乎沒(méi)有試驗(yàn)研究實(shí)際工況下的垂直管道過(guò)泵回流的報(bào)道，鑒于此，這里進(jìn)行了緊急啟停揚(yáng)礦泵工況礦漿回流的試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)結(jié)果，分析了堵管原因并提供了相應(yīng)的解決方法。該項(xiàng)研究的開(kāi)展對(duì)于管道水力輸送技術(shù)和深海采礦的工業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。

1 試驗(yàn)裝置及方法

根據(jù)目前設(shè)計(jì)的水力提升系統(tǒng)，直接提升的錳結(jié)核直徑可能在5～50 mm之間，按照海洋多金屬結(jié)核物理力學(xué)特性測(cè)定結(jié)果及相似條件要求［4］，制作出模擬結(jié)核(見(jiàn)圖1)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)所用物料Fig.1 Material used in the experiment

其粒徑范圍是5～50 mm，模擬結(jié)核成品球團(tuán)濕密度測(cè)定結(jié)果在表1中列出。

表1 模擬結(jié)核成品球團(tuán)濕密度測(cè)定結(jié)果Tab.1 Test result of simulational nodule＇s wet density

試驗(yàn)在高度30 m，內(nèi)徑200 mm的揚(yáng)礦系統(tǒng)中進(jìn)行(見(jiàn)圖2)。系統(tǒng)由如下部分組成［5］:1)供水穩(wěn)壓部分，包括10 m3水箱，內(nèi)徑100 mm給水管，內(nèi)徑150 mm溢流管，內(nèi)徑204 mm穩(wěn)壓管，4 m3穩(wěn)壓水箱和清水泵。2)提升部分，包括高度30 m、內(nèi)徑204 mm的提升管和回流管，0.9 m3水包和提升泵。3)給料部分，包括高度2.25 m、內(nèi)徑1 m、容積1.6 m3料倉(cāng)和給料機(jī)，液壓控制系統(tǒng)。4)控制與測(cè)量部分，包括變頻調(diào)速器、液壓站、流量計(jì)、壓力計(jì)、差壓計(jì)、溫度計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)控柜。5)人工標(biāo)定部分，包括1.5 m3流量標(biāo)定箱，2 t電子稱(chēng)，1 200 mm×800 mm×500 mm水槽和內(nèi)徑100 mm回水管路。

給料機(jī)按照體積濃度5%、8%進(jìn)行給料，結(jié)核按照我國(guó)礦區(qū)采樣結(jié)核經(jīng)破碎后的顆粒級(jí)配進(jìn)行配比，起初將泵轉(zhuǎn)速調(diào)到最大顆粒浮游速度之上，使混合顆粒都能正常輸送，當(dāng)流態(tài)穩(wěn)定后并達(dá)到試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，在確認(rèn)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況正常時(shí)，測(cè)控室同時(shí)按下泵和給料機(jī)停止按鈕，模擬結(jié)核將開(kāi)始隨管路中水流回流。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)水包底部閥門(mén)，將試驗(yàn)系統(tǒng)清水流入下水道，拆卸泵進(jìn)出口短管，觀察泵內(nèi)、泵進(jìn)出口短管的結(jié)核量并取出稱(chēng)重。如進(jìn)口管道內(nèi)有結(jié)核、出口管道和泵內(nèi)無(wú)結(jié)核的情況下，說(shuō)明停泵后提升管道內(nèi)的結(jié)核回流時(shí)可通過(guò)泵;如泵進(jìn)、出口管道內(nèi)均有結(jié)核的情況下，再進(jìn)一步觀察泵內(nèi)結(jié)核情況(包括電機(jī)環(huán)行通道和泵葉輪流道)，這說(shuō)明停泵后提升管道內(nèi)的結(jié)核回流時(shí)不能通過(guò)泵。

考慮到粒徑d≤50 mm結(jié)核礦漿濃度較粒徑d≤10 mm、d≤20 mm結(jié)核礦漿濃度回流能力差，如出現(xiàn)泵和管道內(nèi)結(jié)核堵塞現(xiàn)象，需要花一定的時(shí)間進(jìn)行結(jié)核處理。因此，在試驗(yàn)時(shí)間安排上，首先進(jìn)行粒徑d≤10 mm、d≤20 mm結(jié)核礦漿濃度回流試驗(yàn)，在完成其它試驗(yàn)內(nèi)容后，再進(jìn)行粒徑d≤50 mm結(jié)核礦漿濃度回流試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 The test system

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 總體結(jié)果

共完成了三種不同結(jié)核粒徑組成(粒徑d≤10 mm、d≤20 mm、d≤50 mm)和兩種不同濃度(CV=5%、CV=8%)的礦漿回流試驗(yàn)，試驗(yàn)組次和結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦漿回流試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 The test parameters of pulp reflux

由表2可知:

1)結(jié)核粒徑d≤10 mm(CV=5%、CV=8%)、d≤20 mm(CV=5%)在輸送流速為3.57 m/s時(shí)，泵進(jìn)口短管內(nèi)的結(jié)核重量為74～92 kg，泵和出口管路均無(wú)結(jié)核，說(shuō)明在揚(yáng)礦系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀況下，突然停止泵和給料機(jī)的運(yùn)行，揚(yáng)礦系統(tǒng)礦漿回流時(shí)結(jié)核可通過(guò)泵。

2)結(jié)核粒徑d≤50 mm(CV=8%)在輸送流速為Vm=3.06 m/s時(shí)，泵進(jìn)口短管內(nèi)的結(jié)核重量只有18 kg，泵出口管路、電機(jī)環(huán)行通道和泵葉輪流道的結(jié)核重量分別為79 kg、23 kg、49 kg，這說(shuō)明在揚(yáng)礦系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀況下，突然停止泵和給料機(jī)的運(yùn)行，揚(yáng)礦系統(tǒng)礦漿回流時(shí)泵內(nèi)存在結(jié)核堵塞現(xiàn)象。其原因可能是礦漿在泵流道和電機(jī)環(huán)行通道內(nèi)回流過(guò)程中，粗顆粒之間的相互碰撞使得顆粒沉降速度降低，顆粒的聚集使得礦漿濃度增加，從而出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象。

3)結(jié)核粒徑d≤10 mm不同濃度礦漿的結(jié)核重量小于結(jié)核粒徑d≤20 mm和d≤50 mm，這是因?yàn)楸迷谕蝗煌Ｖ惯\(yùn)行的過(guò)程中，由于結(jié)核粒徑d≤10 mm的顆粒沉降速度小于結(jié)核粒徑d≤20 mm和d≤50 mm，結(jié)核被提升管內(nèi)的一定流速輸送了一部分結(jié)核到回流管，使得提升管內(nèi)一段管路是礦漿，還有一段管路是清水的原因。

4)如果按CV=5%、CV=8%計(jì)算，高度30 m、內(nèi)徑204 mm提升管內(nèi)的結(jié)核重量分別是97 kg和155 kg，這與d≤20 mm(CV=5%)和d≤50 mm(CV=8%)礦漿回流后的結(jié)核重量相當(dāng)。

2.2 堵管狀態(tài)下各參數(shù)歷史趨勢(shì)

發(fā)生堵管的情況為結(jié)核粒徑d≤50 mm(CV=8%)，其中，泵出口管路結(jié)核照片，如圖3所示。

圖3 泵出口管路照片F(xiàn)ig.3 The outlet flowing pipeline of pump

在揚(yáng)礦系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀況下，突然停止泵和給料機(jī)的運(yùn)行，所得到的揚(yáng)礦系統(tǒng)礦漿回流試驗(yàn)歷史趨勢(shì)，如圖4所示。

由圖4可以看出，在泵流量約Qm=360 m3/h(輸送流速為Vm=3.06 m/s)和給料量約50 t/h較穩(wěn)定的流態(tài)下，突然按下泵和給料機(jī)停止按鈕，泵流量、泵揚(yáng)程和給料量隨時(shí)間立刻停止的趨勢(shì)。圖5為提升管壓力歷史趨勢(shì)圖。

圖4 揚(yáng)礦系統(tǒng)參數(shù)歷史趨勢(shì)Fig.4 The historical trend panel of lift system parameters

圖5 提升管壓力歷史趨勢(shì)Fig.5 The pressure historical trend panel of pipeline

由圖5可以看出，停泵前，泵入口和出口壓力較穩(wěn)定;停泵后，泵入口壓力增加而出口壓力減小，這主要是因?yàn)榱魉僮兓l(fā)的水擊波動(dòng)所造成的，從提升管參數(shù)歷史趨勢(shì)圖也可以說(shuō)明這一現(xiàn)象。

表3為礦漿回流后提升管和泵內(nèi)的結(jié)核粒級(jí)組成。由表可以看出，提升管內(nèi)和泵內(nèi)的結(jié)核粒級(jí)組成變化不大。

表3 礦漿回流后結(jié)核粒級(jí)組成Tab.3 The size distribution of nodule after reflux

3 堵管原因分析及預(yù)防措施建議

3.1 堵管原因分析

從回流堵管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，礦漿堵管的原因主要有以下幾種:

1)最大顆粒尺寸過(guò)大。顆粒尺寸對(duì)其在管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響非常大［6］，對(duì)于球形顆粒來(lái)說(shuō)，管道中顆粒最大尺寸最大不能超過(guò)管道直徑的1/3，否則可能發(fā)生物料的“楔入”現(xiàn)象，即顆粒與顆粒完全擠壓在一起，將管道徹底封住，如圖6所示。對(duì)于球形顆粒來(lái)說(shuō)，其楔入角度α一般在0°～120°之間。然而實(shí)驗(yàn)所用的模擬結(jié)核是形狀不規(guī)則的顆粒，實(shí)踐證明，具有尖角的不規(guī)則顆粒彼此接觸時(shí)，楔入角很小，因此更容易堵塞在管道中［7］。

2)物料顆粒級(jí)配。由于顆粒之間的互相作用，小的顆?？赡軙?huì)進(jìn)入大顆粒之間的空隙中，促使顆粒凝集在一起，結(jié)果形成更大的顆粒［8］，如圖7所示，當(dāng)大顆粒的大小及數(shù)量超過(guò)一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致局部礦漿濃度過(guò)大，甚至發(fā)生可能楔入現(xiàn)象，從而造成管道堵塞。另外，據(jù)研究表明隨著粒徑和體積濃度的增加，粒間作用力在顆粒運(yùn)動(dòng)中的影響越來(lái)越大，也就越來(lái)越容易發(fā)生顆粒的凝聚現(xiàn)象［9］，因此合理控制顆粒劑配的同時(shí)，還要控制顆粒粒徑以及其體積濃度。

除了以上提到的幾種原因外，管路結(jié)垢、管道轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大、管道漏水等都會(huì)導(dǎo)致局部濃度過(guò)大而堵塞。

3.2 預(yù)防堵管措施建議

1)在試驗(yàn)濃度和流速范圍內(nèi)，結(jié)核粒徑d≤10 mm、d≤20 mm礦漿濃度回流時(shí)結(jié)核可以通過(guò)泵;但是，結(jié)核粒徑d≤50 mm礦漿濃度回流時(shí)結(jié)核難以通過(guò)泵。實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制顆粒上限粒徑。并合理安排顆粒級(jí)配，物料的級(jí)配組成應(yīng)以粗顆粒含量較多，細(xì)顆粒含量較少，它們之間的大小以至少相差一個(gè)數(shù)量級(jí)為宜。建議輸送粒徑最大不要超過(guò)30 mm。另外，建議輸送體積濃度在20%以下。

圖6管道中顆粒的楔入示意Fig.6 Particles wedge in pipeline

圖7 管道中顆粒的凝聚Fig.7 Aggregated particles in pipeline

2)對(duì)管道采取合適的密封措施，定期沖洗管道。管道初始運(yùn)行時(shí)，要先輸送清水，待確認(rèn)管道暢通，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，方可給入物料。停泵前要輸送清水，確認(rèn)管道中物料己被清洗完后，再停泵，還可采取一些采取特殊措施(如沿管道分段設(shè)置高壓水槍?zhuān)ㄆ跊_洗)，嚴(yán)防堵管事故。

3)盡量減少礦漿管道有大角度轉(zhuǎn)彎和斷面突變?？稍诠苈分邪惭b緊急排放閥。泵內(nèi)部環(huán)形流道也應(yīng)盡量順直，減少?gòu)澢褪湛s真實(shí)的采礦系統(tǒng)中，應(yīng)盡量使用半徑較大和彎折角度小的彎管，不宜采用普通90°彎頭，盡量避免使用“U”型管路。在條件允許時(shí)，盡量不使用軟管，因?yàn)檐浌艿哪ψ枇^大，加上操作過(guò)程的彎折和扭結(jié)，極易引起堵管。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)緊急停泵下的堵管現(xiàn)象進(jìn)行了過(guò)泵回流試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明在顆粒物料直徑為50 mm、體積濃度為8%時(shí)，會(huì)造成堵管事故。堵管發(fā)生的原因主要有顆粒尺寸過(guò)大、級(jí)配不合理、管路結(jié)垢、管道轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大、管道漏水等原因造成的。為防止堵管現(xiàn)象發(fā)生，在實(shí)際工程中應(yīng)做到:控制顆粒最大粒徑，將其控制在30 mm以?xún)?nèi);料的級(jí)配組成以粗顆粒含量較多，細(xì)顆粒含量較少，級(jí)配粗細(xì)顆粒含量應(yīng)至少相差一個(gè)數(shù)量級(jí)為宜;另外，盡量減少礦漿管道有大角度轉(zhuǎn)彎和斷面突變，有條件的話，盡量不使用軟管，并需要定期清潔管道。

［1］陽(yáng) 寧，陳光國(guó).深海礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)的現(xiàn)狀綜述［J］.礦山機(jī)械，2010，38(10):4-9.

［2］Yong-Chan Park，Chi-Ho Yoon，Dong-Kil Lee，et al.Experimental studies on hydraulic lifting of solid-liquid two phase flow［J］.Ocean and Research，2004，26(4):647-653.

［3］李 蘅.深海采礦水力提升系統(tǒng)粗顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究［D］.北京:清華大學(xué)，2003.

［4］中國(guó)大洋協(xié)會(huì).進(jìn)軍大洋十五年［M］.北京:海洋出版社，2006:198-224.

［5］長(zhǎng)沙礦冶研究院.“十五”深海采礦揚(yáng)礦系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦冶研究院，2007.

［6］夏建新，倪晉仁，黃家禎.粗顆粒物料在垂直管流中的滯留效應(yīng)［J］.礦冶工程，2002，22(3):37-40.

［7］孟小剛，倪晉仁.固液兩相流中顆粒受力及其對(duì)垂向分選的影響［J］.水利學(xué)報(bào)，2002(9):6-13.

［8］劉會(huì)娥，余 皓，魏 飛，等.提升管內(nèi)顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)行為［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，27(4):106-109.

［9］Winkler C，Rani S L，Vanka S.Preferential concentration of particles in a fully developed turbulent square duct flow［J］.International Journal of Multiphase Flow，2004，30:27-50.

Experimental study on pump reflux of particles in deep sea lift system

WANG Ying-jie，YANG Ning，JIN Xing
(State Key Laboratory of Exploitation and Utilization of Deep-Sea Mineral Resources，Changsha Research Institute of Mining＆ Metallurgy，Changsha 410012，China)

The test of two phase flow pump reflux is conducted to simulate particles'motion in the situation that lifting system's pump has to be shut off.It may lead to pipe blocking and transport problems.In order to improve hydraulic transportation pipeline safety，three different particles(d≤10 mm，d≤20 mm，d≤50 mm)in two kinds of concentration(CV=5%，CV=8%)are adopted，and the experimental study of two phase flow pump reflux is undertaken under the condition that the rate of flow is 420 m3/h.The experiment results are analyzed and the reasons of blocking are summarized.The experimental results indicate that size upper limit should be controlled strictly and proper particle size distribution be adopted.Besides，the pipeline should be regularly cleaned，and the large angle and section mutations of the pipeline should be reduced.

deep sea mining;hydraulic lifting;reflux;manganese nodule

P751

A

1005-9865(2012)02-0100-05

2011-05-19

中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(DYXM-115-04-02-02)

王英杰(1987－)男，山東泰安人，碩士，主要從事深海采礦及多相流方面研究。E-mail:cumtwyj@126.com