深海揚礦系統中顆粒過泵回流試驗研究

王英杰，陽 寧，金 星

(長沙礦冶研究院深海礦產資源開發利用技術國家重點試驗室，湖南長沙 410012)

深海揚礦系統中顆粒過泵回流試驗研究

王英杰，陽 寧，金 星

(長沙礦冶研究院深海礦產資源開發利用技術國家重點試驗室，湖南長沙 410012)

兩相流過泵回流試驗是模擬水力提升系統緊急停泵情況下垂直管道中顆粒運動狀態，緊急停泵時，可能會出現堵管、難于輸送等現象。為提高管道水力輸送安全性，采用三種不同的模擬結核顆粒(粒徑分別為d≤10 mm，d≤20 mm，d≤50 mm)，兩種不同濃度(CV=5%，CV=8%)，在兩級泵額定流量Q=420 m3/h條件下進行了過泵回流試驗，分析了試驗結果，從多個方面總結了堵管原因。認為實際工程中應該嚴格控制顆粒上限粒徑，采用合適的顆粒級配，并對管道定期進行清洗，盡量減少管道的大角度轉彎和斷面突變。

深海采礦;水力提升;回流;錳結核顆粒

隨著世界經濟的迅猛發展，資源的供求矛盾也日益突出。礦產資源作為不可再生資源，其供求關系尤為嚴峻。隨著陸地礦產資源的日益匱乏，人們把目光投向了海底礦產資源［1］。這其中，深海礦產資源開采技術是海洋資源開發技術的最前沿，它標志著一個國家開發海洋資源的綜合能力和技術水平。在海洋資源開采方面，比較成功的技術是以美國公司為主的跨國財團提出管道提升開采系統，然而在此系統中，顆粒過泵回流是一個令人十分頭疼的問題。由于海上自然環境比較惡劣，深海采礦商業開采中，正常的工業開采過程中難免會遇到各種緊急情況，揚礦系統故障停泵時，近6 000 m的垂直管道內將存有數十噸結核［2］，垂直管中的結核一旦堆積無法排放，整個采礦系統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，通過人工是無法及時排除的。輕則可能使管道變形損壞，破壞正常的工業生產。重則使整個采礦系統癱瘓，堵塞管以下的揚礦泵、中間倉以及各測控系統會因累積礦石壓力過大而損壞［3］，由此而帶來的損失是不可估量的，這使人們不得不關注過泵回流時出現的堵管問題。

然而當前幾乎沒有試驗研究實際工況下的垂直管道過泵回流的報道，鑒于此，這里進行了緊急啟停揚礦泵工況礦漿回流的試驗，得到了試驗結果，分析了堵管原因并提供了相應的解決方法。該項研究的開展對于管道水力輸送技術和深海采礦的工業化應用具有重要的意義。

1 試驗裝置及方法

根據目前設計的水力提升系統，直接提升的錳結核直徑可能在5～50 mm之間，按照海洋多金屬結核物理力學特性測定結果及相似條件要求［4］，制作出模擬結核(見圖1)來進行試驗。

圖1 試驗所用物料Fig.1 Material used in the experiment

其粒徑范圍是5～50 mm，模擬結核成品球團濕密度測定結果在表1中列出。

表1 模擬結核成品球團濕密度測定結果Tab.1 Test result of simulational nodule＇s wet density

試驗在高度30 m，內徑200 mm的揚礦系統中進行(見圖2)。系統由如下部分組成［5］:1)供水穩壓部分，包括10 m3水箱，內徑100 mm給水管，內徑150 mm溢流管，內徑204 mm穩壓管，4 m3穩壓水箱和清水泵。2)提升部分，包括高度30 m、內徑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、內徑1 m、容積1.6 m3料倉和給料機，液壓控制系統。4)控制與測量部分，包括變頻調速器、液壓站、流量計、壓力計、差壓計、溫度計、轉速傳感器、測控柜。5)人工標定部分，包括1.5 m3流量標定箱，2 t電子稱，1 200 mm×800 mm×500 mm水槽和內徑100 mm回水管路。

給料機按照體積濃度5%、8%進行給料，結核按照我國礦區采樣結核經破碎后的顆粒級配進行配比，起初將泵轉速調到最大顆粒浮游速度之上，使混合顆粒都能正常輸送，當流態穩定后并達到試驗點時，在確認試驗系統運行狀況正常時，測控室同時按下泵和給料機停止按鈕，模擬結核將開始隨管路中水流回流。試驗結束后，打開水包底部閥門，將試驗系統清水流入下水道，拆卸泵進出口短管，觀察泵內、泵進出口短管的結核量并取出稱重。如進口管道內有結核、出口管道和泵內無結核的情況下，說明停泵后提升管道內的結核回流時可通過泵;如泵進、出口管道內均有結核的情況下，再進一步觀察泵內結核情況(包括電機環行通道和泵葉輪流道)，這說明停泵后提升管道內的結核回流時不能通過泵。

考慮到粒徑d≤50 mm結核礦漿濃度較粒徑d≤10 mm、d≤20 mm結核礦漿濃度回流能力差，如出現泵和管道內結核堵塞現象，需要花一定的時間進行結核處理。因此，在試驗時間安排上，首先進行粒徑d≤10 mm、d≤20 mm結核礦漿濃度回流試驗，在完成其它試驗內容后，再進行粒徑d≤50 mm結核礦漿濃度回流試驗。

圖2 試驗系統示意Fig.2 The test system

2 試驗結果及分析

2.1 總體結果

共完成了三種不同結核粒徑組成(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，試驗組次和結果見表2。

表2 礦漿回流試驗參數Tab.2 The test parameters of pulp reflux

由表2可知:

1)結核粒徑d≤10 mm(CV=5%、CV=8%)、d≤20 mm(CV=5%)在輸送流速為3.57 m/s時，泵進口短管內的結核重量為74～92 kg，泵和出口管路均無結核，說明在揚礦系統正常運行的狀況下，突然停止泵和給料機的運行，揚礦系統礦漿回流時結核可通過泵。

2)結核粒徑d≤50 mm(CV=8%)在輸送流速為Vm=3.06 m/s時，泵進口短管內的結核重量只有18 kg，泵出口管路、電機環行通道和泵葉輪流道的結核重量分別為79 kg、23 kg、49 kg，這說明在揚礦系統正常運行的狀況下，突然停止泵和給料機的運行，揚礦系統礦漿回流時泵內存在結核堵塞現象。其原因可能是礦漿在泵流道和電機環行通道內回流過程中，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，從而出現了堵塞現象。

3)結核粒徑d≤10 mm不同濃度礦漿的結核重量小于結核粒徑d≤20 mm和d≤50 mm，這是因為泵在突然停止運行的過程中，由于結核粒徑d≤10 mm的顆粒沉降速度小于結核粒徑d≤20 mm和d≤50 mm，結核被提升管內的一定流速輸送了一部分結核到回流管，使得提升管內一段管路是礦漿，還有一段管路是清水的原因。

4)如果按CV=5%、CV=8%計算，高度30 m、內徑204 mm提升管內的結核重量分別是97 kg和155 kg，這與d≤20 mm(CV=5%)和d≤50 mm(CV=8%)礦漿回流后的結核重量相當。

2.2 堵管狀態下各參數歷史趨勢

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

圖3 泵出口管路照片Fig.3 The outlet flowing pipeline of pump

在揚礦系統正常運行的狀況下，突然停止泵和給料機的運行，所得到的揚礦系統礦漿回流試驗歷史趨勢，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較穩定的流態下，突然按下泵和給料機停止按鈕，泵流量、泵揚程和給料量隨時間立刻停止的趨勢。圖5為提升管壓力歷史趨勢圖。

圖4 揚礦系統參數歷史趨勢Fig.4 The historical trend panel of lift system parameters

圖5 提升管壓力歷史趨勢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定;停泵后，泵入口壓力增加而出口壓力減小，這主要是因為流速變化引發的水擊波動所造成的，從提升管參數歷史趨勢圖也可以說明這一現象。

表3為礦漿回流后提升管和泵內的結核粒級組成。由表可以看出，提升管內和泵內的結核粒級組成變化不大。

表3 礦漿回流后結核粒級組成Tab.3 The size distribution of nodule after reflux

3 堵管原因分析及預防措施建議

3.1 堵管原因分析

從回流堵管的實驗結果來看，礦漿堵管的原因主要有以下幾種:

1)最大顆粒尺寸過大。顆粒尺寸對其在管道中的運動規律影響非常大［6］，對于球形顆粒來說，管道中顆粒最大尺寸最大不能超過管道直徑的1/3，否則可能發生物料的“楔入”現象，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。對于球形顆粒來說，其楔入角度α一般在0°～120°之間。然而實驗所用的模擬結核是形狀不規則的顆粒，實踐證明，具有尖角的不規則顆粒彼此接觸時，楔入角很小，因此更容易堵塞在管道中［7］。

2)物料顆粒級配。由于顆粒之間的互相作用，小的顆?？赡軙M入大顆粒之間的空隙中，促使顆粒凝集在一起，結果形成更大的顆粒［8］，如圖7所示，當大顆粒的大小及數量超過一定程度時，就會導致局部礦漿濃度過大，甚至發生可能楔入現象，從而造成管道堵塞。另外，據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動中的影響越來越大，也就越來越容易發生顆粒的凝聚現象［9］，因此合理控制顆粒劑配的同時，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，管路結垢、管道轉彎角度過大、管道漏水等都會導致局部濃度過大而堵塞。

3.2 預防堵管措施建議

1)在試驗濃度和流速范圍內，結核粒徑d≤10 mm、d≤20 mm礦漿濃度回流時結核可以通過泵;但是，結核粒徑d≤50 mm礦漿濃度回流時結核難以通過泵。實際工程中應嚴格控制顆粒上限粒徑。并合理安排顆粒級配，物料的級配組成應以粗顆粒含量較多，細顆粒含量較少，它們之間的大小以至少相差一個數量級為宜。建議輸送粒徑最大不要超過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)對管道采取合適的密封措施，定期沖洗管道。管道初始運行時，要先輸送清水，待確認管道暢通，設備運轉正常后，方可給入物料。停泵前要輸送清水，確認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(如沿管道分段設置高壓水槍，定期沖洗)，嚴防堵管事故。

3)盡量減少礦漿管道有大角度轉彎和斷面突變?？稍诠苈分邪惭b緊急排放閥。泵內部環形流道也應盡量順直，減少彎曲和收縮真實的采礦系統中，應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，盡量不使用軟管，因為軟管的摩阻力較大，加上操作過程的彎折和扭結，極易引起堵管。

4 結語

針對緊急停泵下的堵管現象進行了過泵回流試驗研究，試驗表明在顆粒物料直徑為50 mm、體積濃度為8%時，會造成堵管事故。堵管發生的原因主要有顆粒尺寸過大、級配不合理、管路結垢、管道轉彎角度過大、管道漏水等原因造成的。為防止堵管現象發生，在實際工程中應做到:控制顆粒最大粒徑，將其控制在30 mm以內;料的級配組成以粗顆粒含量較多，細顆粒含量較少，級配粗細顆粒含量應至少相差一個數量級為宜;另外，盡量減少礦漿管道有大角度轉彎和斷面突變，有條件的話，盡量不使用軟管，并需要定期清潔管道。

［1］陽 寧，陳光國.深海礦產資源開采技術的現狀綜述［J］.礦山機械，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粗顆粒運動規律模擬研究［D］.北京:清華大學，2003.

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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

中國大洋礦產資源研究開發協會專項資金項目(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