基于Hammer軟件對(duì)尾礦輸送管線進(jìn)行水錘分析

付新民, 封志強(qiáng), 郝艷霞

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038; 2.北京環(huán)都環(huán)保科技有限公司, 北京 100094)

1 前言

在管道中，由于某種外界原因(如閥門突然關(guān)閉或開(kāi)啟，水泵機(jī)組突然停車等)，使水的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種現(xiàn)象稱為水錘。由水錘產(chǎn)生的瞬時(shí)壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)管道的正常工作壓強(qiáng)，具有極大的破壞性[1-2]。

針對(duì)連續(xù)流體(如水、油)等的水錘研究已非常成熟，但是對(duì)于礦山系統(tǒng)，如選礦、尾礦等礦漿管道輸送的水錘研究目前依然很少。但是，隨著礦山系統(tǒng)的設(shè)備越來(lái)越大型化、精細(xì)化，礦山系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，一旦發(fā)生水錘事故，就將對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、閥門產(chǎn)生潛在的破壞作用，輕則影響生產(chǎn)，重則破壞大型設(shè)備，甚至發(fā)生人身傷亡事故，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

有鑒于此，本文結(jié)合現(xiàn)有水錘模擬技術(shù)，有針對(duì)性地研究適用于礦山系統(tǒng)的水錘分析方法。

2 模型的建立及計(jì)算

2.1 工程問(wèn)題分析及基本特性參數(shù)求解

在常規(guī)工程項(xiàng)目中，計(jì)算模型往往相對(duì)較簡(jiǎn)單，但在尾礦工程中，管道的材質(zhì)往往是復(fù)合管材，工藝介質(zhì)通常是礦漿(混合物)，這就對(duì)尾礦管線的水力計(jì)算造成了較大的難度，如何較為準(zhǔn)確地確定這些參數(shù)是進(jìn)行工程計(jì)算的關(guān)鍵，本文將給出這些參數(shù)的較為詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程。

某項(xiàng)目尾礦輸送管線全長(zhǎng)2.7km，尾礦輸送采用五臺(tái)泵串聯(lián)的方式進(jìn)行。各臺(tái)尾礦泵規(guī)格均相同，每臺(tái)離心泵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泵的參數(shù)

1)管道材料的物理性質(zhì)

尾礦輸送管線材質(zhì)為鋼襯HDPE管道(復(fù)合管道)，為計(jì)算管材的彈性模量和泊松比，需要管道的幾何尺寸及相應(yīng)鋼管和HDPE管道的彈性模量和泊松比，管道參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 管道的幾何尺寸及部分物理性質(zhì)

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律[3]，復(fù)合材料、基體和纖維的彈性模量和泊松比分別為E、ε、Em、εm、Ef、εf。

它們之間的關(guān)系為

E=EfVf+EmVm

(1)

ε=εfVf+εmVm

(2)

其中，Vf，Vm分別為各材料占復(fù)合材料體積的百分比。

通過(guò)上述方法 ，計(jì)算得鋼襯HDPE管道彈性模量與泊松比分別為

E=95 603MPa，ε=0.34。

2)管內(nèi)介質(zhì)(尾礦礦漿)的物理性質(zhì)

管道的輸送介質(zhì)為尾礦礦漿，礦漿的物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

(1)兩相流的彈性模量[4]計(jì)算公式為

(3)

式中：Em——礦漿的彈性模量；

Ew——水的彈性模量，其值為2 100MPa；

CV——礦漿的體積濃度。

最終可得礦漿的體積彈性模量Em=2 838MPa。

表3 尾礦礦漿的物理性質(zhì)

(2) 管道中礦漿的波速的計(jì)算公式為

(4)

式中：ρm——漿體密度；

D——管道內(nèi)徑與外徑的平均直徑；

δ——管道壁厚。

計(jì)算得礦漿在鋼襯HDPE管道中的波速am=1 075.8m/s。

(3) 礦漿的動(dòng)力粘度經(jīng)實(shí)驗(yàn)給出的公式為

KBP=μW+0.9C8.9

(5)

式中：μW——水在25 ℃時(shí)的動(dòng)力粘度，其值為0.000 894Pa·s；

C——尾礦礦漿的質(zhì)量濃度。

得出礦漿在25℃下的動(dòng)力粘度為KBP=0.005 294Pa·s，

從而，該礦漿在25℃下的運(yùn)動(dòng)粘度為ν=KBP/ρm=3.248×10-6m2/s。

2.2 建立計(jì)算模型

針對(duì)本項(xiàng)目中遇到的水錘問(wèn)題，使用Bentley公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)水錘計(jì)算軟件Bentley Hammer進(jìn)行計(jì)算。軟件計(jì)算原理采用目前國(guó)際上較精確的特征線法對(duì)水錘進(jìn)行模擬計(jì)算[5-6]。

1)計(jì)算模型

根據(jù)項(xiàng)目資料建立的水錘計(jì)算模型如圖1所示。從泵站到尾礦庫(kù)管線全長(zhǎng)2.7km，高程不斷升高，最終到達(dá)尾礦庫(kù)壩頂標(biāo)高為983m，管線全長(zhǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置詳細(xì)的各設(shè)備及閥門模型，并給定工藝參數(shù)。

圖1 尾礦管線走勢(shì)及高程模型圖

2)管網(wǎng)平差

設(shè)置好計(jì)算模型之后，首先需要在初步分配流量的基礎(chǔ)上，反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到同時(shí)滿足連續(xù)性方程和能量方程，即進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果以及結(jié)果分析

3.1 停泵水錘

模擬泵在正常工作狀態(tài)下，全廠突然掉電的水錘模擬，其計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 停泵水錘水壓高程線

通過(guò)圖3的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管道中存在大概20m水柱的正水錘壓力，但是值不大，水錘正壓力尚在可接受的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在輸水系統(tǒng)中也有類似工況[7]，即在通常情況下，泵突然掉電，由于泵的慣性存在，往往水錘造成的管網(wǎng)沖擊不會(huì)對(duì)管道造成重大破壞性影響。

3.2 關(guān)閥水錘

閥門初始資料為管路截?cái)嚅y在0～30s內(nèi)關(guān)75%，在30～70s內(nèi)關(guān)至100%，現(xiàn)在對(duì)該閥門在上述關(guān)閉特性時(shí)的關(guān)閥水錘進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 70s完全關(guān)閉閥門的水壓高程線

從圖4及圖5可以看出，70s關(guān)閥特性的水錘壓力非常大，管網(wǎng)壓力最高可以超出正常壓力100m水柱，從管壁壓力上看，管網(wǎng)最高壓力達(dá)到4.5MPa，而該管線的設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa，一旦發(fā)生關(guān)閥水錘，將不能保證管道的安全可靠運(yùn)行。此處考慮是關(guān)閥過(guò)快導(dǎo)致，現(xiàn)在將閥門關(guān)閉特性調(diào)整為0～60s關(guān)閉75%，60～180s關(guān)至100%，調(diào)整后的關(guān)閥水錘管壁壓力如圖6所示。

圖6 180s完全關(guān)閉閥門的管壁壓力線

從圖6可以看出，水錘壓力較70s完全關(guān)閉的閥門壓力有明顯的下降，最高水錘壓力在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)。而從圖5和圖6看出，管道內(nèi)的最小壓力均為-10m水柱，基本為真空狀態(tài)，如果管道剛度較小，極易失穩(wěn)，需尋求進(jìn)一步的解決方案。

3.3 解決方案

從上述計(jì)算可見(jiàn)，尾礦管道發(fā)生水錘時(shí)，管道中存在循環(huán)負(fù)壓，而且尾礦礦漿密度比水大(但飽和蒸汽壓與水相同)，在泵送的過(guò)程中動(dòng)量較大，一旦發(fā)生停泵或關(guān)閥等特殊工況時(shí)，管線中的礦漿比水更容易形成較大的負(fù)壓從而使管道壓力低于水的飽和蒸汽壓而發(fā)生氣化現(xiàn)象，從而“拉斷”水柱，形成氣穴，氣穴不斷破滅，在管道中產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)壓力[8]，持續(xù)較大的管道負(fù)壓易造成管道的外壓失穩(wěn)，對(duì)裝置穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。現(xiàn)在擬在泵站附近設(shè)置空氣罐，以改善管道中存在的負(fù)壓。增加空氣罐后壓力線如圖7所示。

圖7 增加空氣罐后管壁壓力線

從圖7可以看出，增加空氣罐后管道中的正水錘完全消失，最小水錘壓力(最小管壁壓力)基本為正壓，負(fù)水錘基本消失。由此可見(jiàn)，增加空氣罐可以顯著降低水錘帶來(lái)的管道壓力波動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)操作的安全性可以提供更明顯的安全保障。

3.4 配置方案

經(jīng)過(guò)上述分析，項(xiàng)目初始給出的閥門關(guān)閉特性不滿足水錘消除要求，現(xiàn)在予以更改為0～60s閥門關(guān)閉75%，60～180s閥門關(guān)至100%，閥門關(guān)閉與時(shí)間呈線性關(guān)系，且最終確定水錘消除方案如圖8所示。

圖8 最終配置方案

4 結(jié)論

(1) 泵突然停電之后，由于泵送流體的速度變化，將在管道內(nèi)產(chǎn)生水錘沖擊，但由于泵和電機(jī)的慣性存在，泵和電機(jī)會(huì)慢慢停轉(zhuǎn)，這可以大大降低水錘對(duì)管道的危害。

(2) 主管線上的起切斷作用的閥門過(guò)快關(guān)閉會(huì)造成管道內(nèi)壓力波動(dòng)劇烈，如果閥門過(guò)快關(guān)閉，無(wú)論是管道正壓，還是管道負(fù)壓，都將較大地超出管道的設(shè)計(jì)范圍，對(duì)裝置的安全可靠運(yùn)行極為不利，不論是否考慮增加空氣罐等外加設(shè)備，均應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)把由于閥門關(guān)閉造成的水錘效應(yīng)控制在管道能承受的合理范圍內(nèi)。

(3) 在極端工況下(如閥門快速關(guān)閉或者突然停泵等)，管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生真空脈動(dòng)壓力，這對(duì)剛度較大的管道影響不大，但是對(duì)于本文中涉及的鋼襯HDPE管道，由于鋼與HDPE的結(jié)合面強(qiáng)度較差，且HDPE的抗失穩(wěn)能力較差，在真空狀態(tài)下，鋼襯HDPE管線易在真空下發(fā)生內(nèi)部HDPE管道的失穩(wěn)變形，從而使HDPE管材與鋼材剝離，造成管道無(wú)法正常輸送介質(zhì)。故對(duì)于易發(fā)生失穩(wěn)變形的材料，要高度重視管道內(nèi)部負(fù)壓的控制。

(4) 增加空氣罐可以顯著降低管道內(nèi)由于水錘效應(yīng)產(chǎn)生的較大正壓及負(fù)壓。與其他設(shè)備相比，空氣罐具有不易堵塞，易維護(hù)，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。例如，在水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的空氣閥[9-11]，如果應(yīng)用于礦漿管道，則由于孔徑較小，則會(huì)經(jīng)常發(fā)生堵塞，而尾礦管線少則幾千米，多則幾十千米，如果堵塞，極難發(fā)現(xiàn)與維護(hù)，故不適用于礦漿介質(zhì)；而調(diào)壓塔效果很好，但是其造價(jià)昂貴，適用于長(zhǎng)距離大孔徑的管道輸送，在礦山項(xiàng)目中通常也不適用。故合理利用空氣罐，可以有效提高裝置抗水錘沖擊的能力，提高裝置的安全可靠性。