乳膠基質(zhì)管路的壓力降研究與安全性分析?

綦海軍 明 剛 劉再強 肖 紅 吳桂華 劉志強深圳市金奧博科技有限公司(廣東深圳，518057)

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乳膠基質(zhì)管路的壓力降研究與安全性分析
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綦海軍 明 剛 劉再強 肖 紅 吳桂華 劉志強
深圳市金奧博科技有限公司(廣東深圳，518057)

[摘 要]在研究乳膠基質(zhì)流變特性的基礎(chǔ)上，對乳膠基質(zhì)在輸送管內(nèi)的壓力降進行了分析和研究，確定了乳膠基質(zhì)的屈服剪應(yīng)力和塑性黏度，得出了乳膠基質(zhì)管路各部件壓力降的計算方法；通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比，驗證了壓力降計算方法的正確性。通過壓力降形成原因的分析和熱量轉(zhuǎn)化的計算，得出乳膠基質(zhì)管路的壓力降是克服管路系統(tǒng)摩擦而產(chǎn)生的，其最終轉(zhuǎn)化為熱能，并被流動的乳膠基質(zhì)及時帶走，不會導(dǎo)致局部溫度升高而引發(fā)安全風(fēng)險。保持乳膠基質(zhì)管路壓力降在0.8～1.5 MPa的合理區(qū)間內(nèi)，對保證乳膠基質(zhì)的質(zhì)量和基質(zhì)泵的正常使用具有重要作用。

[關(guān)鍵詞]乳膠基質(zhì)；壓力降；安全性；流變特性；管路

[分類號] TQ560.5；TD235.2＋1

引言

乳膠基質(zhì)是水相溶液與油相溶液共同乳化形成的一種乳膠體，與發(fā)泡劑混合并敏化后形成乳化炸藥。水相溶液主要由氧化劑硝酸銨組成，油相溶液由復(fù)合油相熔化而成[1]。乳膠基質(zhì)屬于典型的非牛頓流體，其剪應(yīng)力與變形速率不成正比。乳膠基質(zhì)的黏度一般較大，且隨著工藝溫度、水油相配比的改變而明顯變化[1]。開展乳膠基質(zhì)流變特性的研究，既可為乳膠基質(zhì)配套設(shè)備的研究與開發(fā)提供重要的參考，也能大大地提高乳化炸藥生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全性[2]。

由于乳膠基質(zhì)獨特的流變特性，目前，關(guān)于乳膠基質(zhì)流變特性的研究相對較少。國外的Cartwright[3]、Malkin[4]等認(rèn)為乳膠基質(zhì)是冪律流體，并采用Cross方程來表達乳膠基質(zhì)的流動特性；國內(nèi)徐志祥[2]、肖凱[5]、周向群[6]等也對乳化炸藥的流動性進行了研究，認(rèn)為乳膠基質(zhì)為賓漢流體，屬于非牛頓流體的一種，并提出了相應(yīng)的計算模型。由于乳化炸藥配方與工藝的多樣性，所以在目前，關(guān)于乳化炸藥及基質(zhì)的流動特性還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，還需要更進一步的研究，而乳膠基質(zhì)在輸送過程中的壓力降研究也鮮見報道。

本文在研究乳膠基質(zhì)流變特性的基礎(chǔ)上，對其在輸送管道內(nèi)的壓力降進行了分析，提出了管路系統(tǒng)各部件壓力降的計算方法，闡述了基質(zhì)泵工作過程中的能量轉(zhuǎn)換過程。分析壓力降對乳膠基質(zhì)安全生產(chǎn)過程的影響，既有利于指導(dǎo)設(shè)計人員正確地設(shè)計管路輸送系統(tǒng)，又有利于工作人員正確地認(rèn)知管路壓力形成的原因和機理，消除不必要的擔(dān)憂，具有十分重要的意義。

1 乳膠基質(zhì)的流變特性

乳膠基質(zhì)屈服剪應(yīng)力τ0較大，其流變特性與賓漢流體曲線極為相似。賓漢流體隸屬于非牛頓流體，在低應(yīng)力下，它表現(xiàn)為剛性體，但在高應(yīng)力下，它會像黏性流體一樣流動，且其流動性為線性[7]。乳膠基質(zhì)的各項特性與賓漢流體相吻合，因而它也屬于賓漢流體。因此，可用賓漢流體模型來研究乳膠基質(zhì)的流變特性。

賓漢流體的流變方程為[6-9]:

式中，若τ0=0，則成為牛頓流體的流變方程。牛頓流體和賓漢流體的流變方程中的黏度系數(shù)ηp在一定條件下為常數(shù)，與溫度、介質(zhì)的組成密切相關(guān)。

2 乳膠基質(zhì)在輸送管內(nèi)的壓力降分析

2.1 直管

如圖1所示，乳膠輸送管與地面夾角為θ，乳膠基質(zhì)以速度v沿圖示方向流動，根據(jù)牛頓第二定律，可知管內(nèi)任一微分單元體dx在各作用力的平衡下保持勻速前進。由此可得到微分單元體dx沿管軸線方向的壓力差如下:

式中:p為距出料端x處的壓力；p＋dp為距出料端x ＋dx處的壓力；r為乳膠輸送管半徑。

賓漢流體在圓形管道內(nèi)做層流運動時，因克服管道內(nèi)壁的摩擦阻力而產(chǎn)生沿程壓力降，沿程壓力降的計算公式如下[10-11]:

式中:p′為一管道沿程壓力降，Pa；L為管道長度，m；v為流體的速度，m/s；D為管道直徑，m。

根據(jù)以上公式，可得摩擦阻力為:

式中:f為單位面積摩擦阻力。

壓力差dpπr2由管壁摩擦阻力、乳膠基質(zhì)重力和慣性力共同作用產(chǎn)生[5]。重力在軸線方向分力為πr2dxρgsinθ，慣性力為πr2dxρdv/dt，dv/dt是乳膠基質(zhì)流動的加速度。

以上各力的平衡條件[5]:

式中:g為重力加速度；ρ為乳膠基質(zhì)的密度。

由于乳膠基質(zhì)是不可壓縮的，v僅是時間t的函數(shù)，而p只是x的函數(shù)，將式(5)化簡，并對x進行積分，得:

由于x = 0處Δp = 0，即出料口處無壓力，故可求得距出料口L處的壓力降為:

實際生產(chǎn)中，乳膠基質(zhì)在管道內(nèi)的速度為一恒定速度，即dv/dt =0，此時管路的工作壓力與管道的布置情況(包括管道水平布置、傾斜布置、垂直布置)有關(guān)。

由式(7)可得水平管道(sinθ=0)壓力降為[5-9]:

垂直管道(sinθ= sin90°=1)壓力降為[5-9]:

2.2 錐形管

如圖2所示，乳膠輸送錐管與地面夾角為θ，乳膠基質(zhì)以速度v沿圖示方向從大端流向小端，參考乳膠基質(zhì)在直管中壓力降的計算方法，可得基質(zhì)在錐形輸送管中流動引起的壓力降Δp為[5-9]:

式中:r1為輸送管大端半徑；r2為輸送管小端半徑；v1為通過大端時的流速；v2為通過小端時的流速；p1為錐形管段大端軸向壓力；p2為錐形管段小端軸向壓力；ρ為乳膠基質(zhì)的密度。

2.3 靜態(tài)混合器

SV型靜態(tài)混合器、SX型靜態(tài)混合器、SK型靜態(tài)混合器是目前乳化炸藥生產(chǎn)線上的常用混合器。

SV型靜態(tài)混合器主要用于基質(zhì)管路，承擔(dān)基質(zhì)精乳的作用，也稱精乳器。SV型靜態(tài)混合器是由若干以不同方式排列的波狀薄片組成的疊層單元放在空圓管中構(gòu)成的，每相鄰的單元之間成90°交叉。各疊層單元間的波狀薄片也以一定的角度(90°)相接。SV型靜態(tài)混合器用于基質(zhì)精乳時，能使基質(zhì)分散到1～2 μm。圖3即為乳化炸藥SV型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)，它一般由兩個疊層單元組成。

SX型靜態(tài)混合器與SK型靜態(tài)混合器組合使用于乳膠管路，用于基質(zhì)與發(fā)泡劑的靜態(tài)敏化，也稱靜態(tài)敏化器。

SX型靜態(tài)混合器由許多X型單元焊接組合而成，X型單元由交叉的橫條按一定的規(guī)律組成，橫條與管軸線成45°，如圖4所示。該混合器對高黏度、大產(chǎn)能的介質(zhì)混合具有更佳的效果。SX型靜態(tài)混合器用于靜態(tài)混合時，能使介質(zhì)分散到2～5 μm。

SK型靜態(tài)混合器的芯子為單螺旋形，由向左、向右扭轉(zhuǎn)的螺旋葉片焊接而成。前一個單元的導(dǎo)向邊和與后一個單元的拖曳邊互成90°，各單元相互串聯(lián)。當(dāng)介質(zhì)通過這些單元組件時，被不斷地分成若干層，最終達到混合的目的，如圖5所示。SK型靜態(tài)混合器用于靜態(tài)混合時，能使介質(zhì)分散到5～10 μm。

乳膠基質(zhì)流經(jīng)靜態(tài)混合器截面時，流動狀態(tài)非常復(fù)雜，同時乳膠基質(zhì)為不可壓縮流體。因此，根據(jù)達西公式可推導(dǎo)出靜態(tài)混合器產(chǎn)生的壓力降計算公式[8，12]:

式中:Δp為壓力降，Pa；v為流體流動速度，m/s；ρ為連續(xù)相密度，kg/m3；L為混合器長度，m；D為混合單元的直徑，m；f為摩擦系數(shù)，與混合器的幾何尺寸及流體的雷諾數(shù)Re有關(guān)，由試驗測定。

上述計算公式同時適應(yīng)于SV型靜態(tài)混合器、SX型靜態(tài)混合器、SK型靜態(tài)混合器。經(jīng)過試驗測定和生產(chǎn)數(shù)據(jù)校對，得出:SV型混合器1 in(25 mm)芯子的摩擦系數(shù)為75；1.5 in(38 mm)芯子的摩擦系數(shù)為120；SX型混合器的摩擦系數(shù)為26；SK型混合器的摩擦系數(shù)為13。

2.4 閥門、彎管

可采用當(dāng)量長度法，將閥門與管件換算成與之同效的直管長度，稱為當(dāng)量長度。計算管道壓力降時，先計算出與閥門相匹配管道的單位長度壓力降，再用當(dāng)量長度計算閥門和管件的壓力降[12]。

查手冊，可得閥門和管件的當(dāng)量直管長度如下所示。其中，Le為當(dāng)量長度；D為與閥門相匹配的管道直徑[12]。

1)球閥:Le=15D；

2)蝶閥: Le=20D(50 mm≤D≤200 mm)；

3)三通球閥:180°通時，Le= 50D；90°通時，Le=45D。

4)90°彎頭:標(biāo)準(zhǔn)型彎頭，Le= 30D；法蘭連接彎頭或焊接彎頭(圖6)，當(dāng)量長度如表1所示。

3 管道壓力降的計算與實踐應(yīng)用

為驗證計算方法的正確性，將上述方法運用于某乳膠基質(zhì)管路的管內(nèi)壓力降計算，并與現(xiàn)場測試結(jié)果進行了對比。

表1 法蘭彎頭、焊接彎頭壓力降計算當(dāng)量長度Tab.1 Equivalent length of calculating pressure drop for flange elbow and welding elbow

如圖7所示，該乳膠基質(zhì)管路主要由DN100蝶閥、DN100-DN50變徑錐管、DN50直管、DN50彎管、DN50三通閥、SV型靜態(tài)混合器、DN50蝶閥等組件組成。乳膠基質(zhì)生產(chǎn)時的工藝溫度為90℃左右，密度為1.36×103kg/m3，直管內(nèi)徑D為51 mm，流量Q為3～8 t/h，管內(nèi)流速v為0.3～0.8 m/s。通過對90℃乳膠基質(zhì)的表觀黏度進行檢測，得到該溫度條件下乳膠基質(zhì)的屈服剪應(yīng)力τ0為215 N/m2，塑性黏度ηp為3.55 N·s/m2。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)乳膠基質(zhì)通過混合器芯子的實測壓力可得出:1 in (25 mm)混合器芯子摩擦系數(shù)為75；1.5 in(38 mm)混合器芯子摩擦系數(shù)為120；SX型混合器的摩擦系數(shù)為26；SK型混合器的摩擦系數(shù)為13。

基于上述參數(shù)計算與實測得到乳膠管道的壓力降如表2所示。

4 壓力對乳膠基質(zhì)生產(chǎn)影響的安全性分析

乳膠基質(zhì)在管路中的輸送動力來源于基質(zhì)螺桿泵的電機，在工作過程中該電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，即為電機的有功功率。機械能帶動螺桿泵轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)子與定子的相對運動又將機械能進一步轉(zhuǎn)化為3部分的能量:乳膠基質(zhì)輸送過程中所獲得的動能和勢能；螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子的摩擦熱能；乳膠基質(zhì)與管路摩擦產(chǎn)生的熱能(圖8)。

表2 乳膠基質(zhì)管路壓力降計算值與實測值對比Tab.2 Comparison of calculated values and measured values of pressure drop in emulsion matrix pipeline

螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間相互摩擦產(chǎn)生的熱量會使乳膠基質(zhì)溫度升高；在正常工作狀態(tài)下，預(yù)乳器生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)會源源不斷地通過螺桿泵，及時地帶走產(chǎn)生的熱量，避免了局部溫度的持續(xù)升高，因而不會對生產(chǎn)造成安全隱患。乳膠管路的壓力降也是由于乳膠基質(zhì)克服管路系統(tǒng)摩擦而產(chǎn)生的，基質(zhì)與管路系統(tǒng)的摩擦使乳膠基質(zhì)溫度小幅升高。螺桿泵正常工作時，這些熱量也被源源不斷的乳膠基質(zhì)帶走，不會發(fā)生熱量集中，因此不會造成安全風(fēng)險。

若螺桿泵處于空轉(zhuǎn)的非正常工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力產(chǎn)生的熱量會持續(xù)堆積，而又無法被帶走，最終溫度越來越高，從而使殘留在基質(zhì)螺桿泵里乳膠基質(zhì)存在發(fā)生爆炸的可能，引發(fā)安全隱患。因此，基質(zhì)螺桿泵在工作過程中嚴(yán)禁空轉(zhuǎn)，必須設(shè)計保護裝置防止泵的空轉(zhuǎn)。

由于乳膠基質(zhì)為不可壓縮流體，因此，基質(zhì)管路的壓力最終將通過基質(zhì)與管路系統(tǒng)摩擦的方式轉(zhuǎn)化熱能，使乳膠基質(zhì)的溫度小幅升高。以某民爆基質(zhì)管路為例，當(dāng)產(chǎn)能為8 t/h時，靜態(tài)混合器采用2節(jié)1.5 in(38 mm)的芯子，基質(zhì)泵變頻器輸出電壓236 V，電流13.5 A，功率因素為0.83；乳膠基質(zhì)管路實測的壓力降為1.36 MPa。

單位時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)化成的機械能(即電機的有功功率)為:

單位時間內(nèi)乳膠基質(zhì)獲得的動能EK與勢能EP分別為:

單位時間內(nèi)克服管道摩擦轉(zhuǎn)化的熱能Q1為:

Q1=ΔpSvt =1.36×106×2.04×10-3×0.8×1 = 2 219.5 J。

單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子摩擦轉(zhuǎn)化的熱能Q2為:

Q2= E - EK- EP- Q1= 4 580.2 - 0.71 - 37 -2 219.5 =2 323 J。

摩擦熱能導(dǎo)致乳膠溫度升高:

式中:c為乳膠基質(zhì)的比熱容，2 800 J/(kg·℃)。

可以看出，摩擦熱能使乳膠基質(zhì)的溫度上升較小。一方面，持續(xù)生成的乳膠基質(zhì)會將摩擦熱量及時帶走；另一方面，乳膠基質(zhì)在輸送過程中與管壁形成熱交換，最終將部分熱量散發(fā)至空氣中。因此，乳膠基質(zhì)管路的合理壓力降不會影響乳膠基質(zhì)的安全生產(chǎn)。

5 乳膠基質(zhì)管路壓力降的合理區(qū)間

乳膠基質(zhì)管路采用的耐茨螺桿泵型號是NM063SY03S18B，為三級螺桿泵，最大輸出壓力為1.8 MPa，最大輸出轉(zhuǎn)矩為316 Nm。

乳膠基質(zhì)管路的壓力降與工藝溫度、生產(chǎn)產(chǎn)量、油相配方、水油相的混合狀態(tài)密切相關(guān)。工藝溫度是影響乳膠基質(zhì)黏度最大的因素，直接影響乳膠基質(zhì)的屈服剪應(yīng)力、塑性黏度，從而影響到整個管路的壓力降。保持基質(zhì)管路壓力降在合理范圍內(nèi)，對保障乳膠基質(zhì)的質(zhì)量和基質(zhì)泵的正常使用具有重要的意義。

選用M063SY03S18B螺桿泵作為基質(zhì)泵時，乳化炸藥基質(zhì)管路的生產(chǎn)能力在2.5～9.0 t/h之間，為保證基質(zhì)乳化的質(zhì)量，建議最低產(chǎn)能在3 t/h以上。根據(jù)工程現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，基質(zhì)管路壓力降在0.8～1.5 MPa時，乳膠基質(zhì)具有較好的乳化質(zhì)量。在基質(zhì)管路達到其最大產(chǎn)能時，管路壓力降為1.43 MPa，基質(zhì)泵轉(zhuǎn)速為124 r/min，基質(zhì)泵變頻器輸出功率3.79 kW。由此可計算出基質(zhì)泵連軸桿所承受的轉(zhuǎn)矩為:

綜上所述，乳膠基質(zhì)管路壓力降的合理區(qū)間為0.8～1.5 MPa，該壓力遠(yuǎn)小于基質(zhì)泵的最大輸出壓力1.8 MPa；在產(chǎn)能達到最大的9 t/h時，基質(zhì)泵的轉(zhuǎn)矩也小于最大輸出轉(zhuǎn)矩316 Nm，充分保障了基質(zhì)泵的正常運行。

6 結(jié)論

1)通過研究乳膠基質(zhì)的流動特性，歸納并總結(jié)了乳膠基質(zhì)管路直管、錐管、靜態(tài)混合器、彎管、閥門等部件壓力降的計算方法，并用現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證了計算方法的正確性。

2)推導(dǎo)出了靜態(tài)混合器壓力降的計算公式，依據(jù)試驗檢測和工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定了1 in(25 mm) SV型混合器的摩擦系數(shù)為75，1.5 in(38 mm)SV型混合器摩擦系數(shù)為120，SX型混合器的摩擦系數(shù)為26，SK型混合器的摩擦系數(shù)為13。

3)乳膠基質(zhì)屬于非牛頓流體，通過試驗，在90℃時的屈服剪應(yīng)力τ0為215 N/m2，塑性黏度ηp為3.55 N·s/m2，這些參數(shù)的確定為乳膠輸送管路的設(shè)計和壓力故障分析提供了重要參考。

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Research on Pressure Drop and Safety in Transport Pipes of Emulsion Matrix

QI Haijun，MING Gang，LIU Zaiqiang，XIAO Hong，WU Guihua，LIU Zhiqiang
Shenzhen King Explorer Science and Technology Co.，Ltd.(Guangdong Shenzhen，518057)

[ABSTRACT]Pressure drop in transport pipes of emulsion matrix was analyzed and studied based on the research on flow properties of emulsion matrix.Shear yield stress and plastic viscosity of emulsion matrix were determined，and calculation method of pressure drop for components was obtained.The method was verified by comparison of production data and calculated data.By analyzing causes of pressure drop and calculating heat conversion，causes of pressure drop were confirmed.Pressure drop is produced by overcoming the friction of emulsion matrix with pipes system，and it will be eventually converted to heat and removed by flowing emulsion matrix.Therefore，hazards due to partial temperature rise of emulsion matrix will be eliminated.Keeping the pressure drop of emulsion matrix pipes in the reasonable range of 0.8-1.5 MPa，it plays an important role to ensure the normal use of the quality of the emulsion matrix and matrix pump.

[KEY WORDS]emulsion matrix；pressure drop；safety analysis；rheological property；pipes

作者簡介:綦海軍(1986～)，男，碩士，主要從事乳化炸藥自動化生產(chǎn)線、現(xiàn)場混裝車的研究開發(fā)。E-mail:qihaijun@ kingexplorer.com

收稿日期:?2016-05-12

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.012