尾礦漿體高海拔U型管道輸送工程應(yīng)用探討

王兆博

（長春黃金設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130000）

鎢尾礦運輸管道中一級泵站設(shè)置在選礦廠中，管道穿過一條河流后建立閥門站，再自流到進到二級泵站，跨國北大河之后，通過泵揚送至尾礦庫。管道總體表現(xiàn)出“U”型形態(tài)，存在落差大、揚程高等特征。

地區(qū)氣候是大陸性高寒半干旱環(huán)境，年平均降水量235mm～350mm。年平均溫度0.6℃～6.4℃，最小-25℃，最高30℃。每年十月中旬到來年四月上旬是長達半年時間的霜凍期，最高凍土深度為1.4m。

尾礦構(gòu)成礦物類型比較繁瑣，礦物含量很高的為石英、角閃石、絹云母、綠泥石以及方解石，其次是螢石、長石、白云石以及石榴石等，其余微量礦物還存在磁鐵礦、綠簾石以及金紅石等。

1 鎢尾礦管路運輸機理介紹

1.1 漿液顆粒漂浮機理

漿液紊流流態(tài)下顆粒懸浮方程是：

其中，C/CA表示漿液含量和離管上0.08D點含量比值；W表示固體顆粒下沉速率；U*表示磨阻速率；K表示常數(shù)。

漿體流動時，管路垂直面固體物質(zhì)布局狀態(tài)和流速、力度、漿液含量相關(guān)。

從漿液屬性研究，該鎢尾礦漿體與煤漿都是與時間沒有關(guān)系的非牛頓流體，是具備屈服應(yīng)力賓漢塑性體物質(zhì)，其流動屬性類似。

1.2 非均質(zhì)懸物流態(tài)分析

非均質(zhì)流主要以管路垂線上有詳細的固體含量梯度為特點，很多工業(yè)管路從運輸漿體至運輸煤礦均具備這個特點。該鎢尾礦漿液流態(tài)性質(zhì)也滿足這個磨阻損失和流速的對應(yīng)聯(lián)系。當(dāng)流速很高時，曲線和獨立流體的關(guān)系線趨向平行，即伴隨流速加大，濃度梯度越來越不明顯，漿體結(jié)構(gòu)更為均質(zhì)性。伴隨流速降低，管道內(nèi)的固體物質(zhì)布局不均變得非常明顯，流速醫(yī)治降低，管道中產(chǎn)生不動的和互動的積淀層，這時的流速為淤積流速。礦漿流速不斷降低，在管道內(nèi)開始產(chǎn)生固體顆粒層，而且因為縮小了有效流體面積導(dǎo)致磨阻損失（ΔP ）增多，該種流動狀態(tài)也許是相對不穩(wěn)固的。

在具體使用中管道運轉(zhuǎn)不可小于淤積流速。不僅有管道堵塞的安全危險外，還將在管道底部出現(xiàn)諸多磨損，而針對粒徑面積寬的漿體結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)很粗的顆粒淤積于管路內(nèi)，只有很細的顆粒處在懸浮狀態(tài)，指管道發(fā)揮出分選作用。因此，非均質(zhì)流長時間的穩(wěn)固定取決于穩(wěn)定的預(yù)計淤積流速。

1.3 運輸流速的預(yù)計

漿體管道運輸目的在于以懸浮狀態(tài)運輸固體顆粒（指達到或類似均質(zhì)流）。如果顆粒不再通過懸浮狀態(tài)運輸，這時的流速等于或小于臨界流速，而無論產(chǎn)生的床層為活動的亦或是不變的，這兩種狀況對管路的長時間穩(wěn)固性與磨蝕而言均是災(zāi)難性的。

根據(jù)Durand公式：

其中，VD表示臨界流速（m/s）；FL表示速度系數(shù)，和濃度及粒徑有關(guān)；D表示運輸管路內(nèi)徑（m）；g表示重力加速度（g=9.81m/s2）；ρs表示固體密度（t/m3）；ρl表示載體密度（t/m3）。

過度流體由雷諾數(shù)決定，而淤積流速由佛勞德數(shù)決定，而佛勞德數(shù)隨著漿體顆粒濃度與粒徑大小而改變。從設(shè)計觀點來說，盡量在略高于預(yù)期淤積流速下工作[1]。盡管如此會引起很大的磨阻損失，但其給設(shè)計以較高的安全度并防止十分接近淤積時的高程不均質(zhì)狀態(tài)，進而削減管壁磨損。

鎢尾礦運輸系統(tǒng)設(shè)計全面考量運輸漿體含量、再選廠尾礦顆粒、總運輸量等因素，根據(jù)漿體運輸淤積流速預(yù)估計量研究，運輸流速設(shè)置區(qū)間是2m/s～2.5m/s。尾礦漿體以紊流流態(tài)運輸，運輸管路內(nèi)固體粗顆粒處在懸浮狀態(tài)，防止管路沉淀阻塞現(xiàn)象，保證運輸系統(tǒng)長時間可靠運轉(zhuǎn)。

1.4 運輸壓力的預(yù)計

在工業(yè)運用中運輸?shù)臐{液固體顆粒直徑范圍很寬，通常其中很小的顆粒產(chǎn)生均質(zhì)流狀態(tài)，而很大的顆粒產(chǎn)生非均質(zhì)流狀態(tài)，這兩類狀態(tài)同步存在。Durand經(jīng)探究均勻粒徑的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)立了混合成分的fm關(guān)系式：

其中，fm表示混合成分的磨阻系數(shù)；fl表示漿體磨阻系數(shù)；C表示固體物質(zhì)體積分數(shù)；K表示常數(shù)（取值為80～150）；g表示重力加速度；D表示管徑；V表示流速；ρS表示固體物質(zhì)密度；ρl表示漿體密度；CD表示阻力參量。

公式（3）帶來了研究非均質(zhì)流磨阻損失的科學(xué)設(shè)計辦法，適用于高于淤積流速的全部流速。對于垂直式管流，僅需流速超過漿體下沉速率，濃度梯度將不會出現(xiàn)，磨阻損失能夠根據(jù)均質(zhì)懸液計量。

管路的ΔP 和fm、管道長度呈正比，由此來選用運輸泵的性能（指出口負荷）。而對于該鎢尾礦管線規(guī)劃，還仔細考量了如下幾點因素：①選礦廠Ⅰ級泵單獨運轉(zhuǎn)方式；②再選廠運行時尾礦運輸量、尾礦含量增多，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)形式；③根據(jù)實踐經(jīng)驗，有效使用地形重力勢能達到減排效果。整體考量上述因素，通過計算Ⅱ級泵站設(shè)置運輸泵最高壓力是40kg/cm2。從現(xiàn)場制造運轉(zhuǎn)檢測信息分析，設(shè)計滿足了預(yù)期目標(biāo)。

1.5 磨損的管理機理介紹

管道磨損通過固、液相性質(zhì)、流動環(huán)境、管壁種類等多種因素把控。在漿體管道內(nèi)，顆粒構(gòu)成、漿體含量與流速在一定程度上未互相依存的。比如，運輸大顆粒物質(zhì)就要求加大最低運輸流速[2]。通過試驗發(fā)現(xiàn)，磨損和流速的立方是正比關(guān)系，并伴隨顆粒加大而增加。所以，經(jīng)過減小固體顆粒直徑能大幅度減少磨損，由于細顆粒需要的流速很低，細顆粒導(dǎo)致的磨損的很輕。

金屬物質(zhì)磨損、所要的最低流速與泵送成本伴隨粒徑縮小而降低。但顆粒粒徑低于某個最小粒徑，最低流速與泵送成本伴隨粒徑縮小而增多，由于漿液的粘度加大了。

通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漿體中C/CA＞0.5時，若流速低于3m/s，那么磨損能忽略不計。如果漿液顆粒C/CA＜0.5時，漿液的磨蝕性將伴隨漿體含量增多而增大，當(dāng)C/CA很小時，骨戒顆粒產(chǎn)生低床順著管底移動，且造成磨損。C/CA值會伴隨漿體含量增多而增大，而當(dāng)漿液的磨蝕性達到最高值以后，漿液的磨蝕性伴隨漿體含量增大而不斷下降，需要注意的時，這類準則唯有在流速超過臨界淤積流速的狀態(tài)下才適用。

為防止管路磨損和溫差影響，項目設(shè)計重點從如下幾方面著手：①尾礦采取選別后直接運輸，漿體運輸速度是2m/s～2.5m/s，處在紊流流態(tài)，防止固結(jié)顆粒出現(xiàn)低床順著管底移動，且引發(fā)磨損。②高寒早晚溫差大，項目設(shè)計方面，經(jīng)過增多伸縮節(jié)與設(shè)立固定、滑動導(dǎo)向支柱降低管路的變化量，而且管路包裹保溫巖棉減小溫差影響。③管道結(jié)構(gòu)水流方向明顯變化的地方易出現(xiàn)磨損，項目設(shè)計考量在丁形管與閥門位置增多金屬磨蝕總量，彎道與彎頭擴大拐彎半徑，彎道采取剛玉耐磨管等方法。

1.6 運輸泵的選取

運輸泵的選型基礎(chǔ)所需要的運輸壓力與漿液磨蝕性。運輸壓力屬于選取渣漿泵和正排量泵的重要依據(jù)。當(dāng)運輸壓力小于45.7kg/cm2時，渣漿泵的設(shè)施采購成本少于正排量泵。針對運輸壓力來說，渣漿泵聯(lián)合起來，能夠達到所要的運輸壓力。

針對需要運輸壓力超過457kg/cm2的系統(tǒng)，因為渣漿泵的抗壓力有限，只有技術(shù)參數(shù)達到要求的輸送泵輸送，方案是可行的。針對磨蝕性高的固體，通常選取柱塞泵，且配置清水沖擊結(jié)構(gòu)，以確保柱塞上無磨蝕性固體。對磨蝕性很低的漿體，能選取活塞泵。

2 結(jié)論

（1）鎢尾礦漿體是和時間沒有關(guān)系的非牛頓流體，即屈服應(yīng)力賓漢塑性體物質(zhì)。經(jīng)過對漿液顆粒懸浮物質(zhì)、非均質(zhì)固體的流態(tài)研究，設(shè)計整體考量漿體含量、再選廠尾礦粒度、總運輸量等因素干擾，設(shè)置運輸流速區(qū)間是2m/s～2.5m/s，運輸最高壓力是40kg/cm2。

（2）管道磨損由顆粒固液相性質(zhì)，流動環(huán)境，管壁種類等因素所決定。運輸結(jié)構(gòu)以紊流流態(tài)運輸，防止固結(jié)顆粒產(chǎn)生低床順著管底移動造成磨損。在“U”形管、閥門、彎道以及彎頭等部位采用科學(xué)措施，防止水流方向明顯變化的位置出現(xiàn)磨損。

（3）經(jīng)過考量不同種類運輸泵性質(zhì)、再選廠生產(chǎn)運輸量改變和今后壩體增高等要素，對于重要二級泵站選擇兩組三臺串聯(lián)泵搭配，單組1、2級泵搭配調(diào)頻設(shè)備。