基于Hammer軟件對尾礦輸送管線進行水錘分析

付新民, 封志強, 郝艷霞

(1.中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038; 2.北京環(huán)都環(huán)?？萍加邢薰? 北京 100094)

1 前言

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

針對連續(xù)流體(如水、油)等的水錘研究已非常成熟，但是對于礦山系統(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)的設備越來越大型化、精細化，礦山系統(tǒng)規(guī)模越來越大，一旦發(fā)生水錘事故，就將對系統(tǒng)關鍵設備、閥門產生潛在的破壞作用，輕則影響生產，重則破壞大型設備，甚至發(fā)生人身傷亡事故，并造成重大經濟損失。

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

2 模型的建立及計算

2.1 工程問題分析及基本特性參數(shù)求解

在常規(guī)工程項目中，計算模型往往相對較簡單，但在尾礦工程中，管道的材質往往是復合管材，工藝介質通常是礦漿(混合物)，這就對尾礦管線的水力計算造成了較大的難度，如何較為準確地確定這些參數(shù)是進行工程計算的關鍵，本文將給出這些參數(shù)的較為詳細的計算過程。

某項目尾礦輸送管線全長2.7km，尾礦輸送采用五臺泵串聯(lián)的方式進行。各臺尾礦泵規(guī)格均相同，每臺離心泵參數(shù)見表1。

表1 泵的參數(shù)

1)管道材料的物理性質

尾礦輸送管線材質為鋼襯HDPE管道(復合管道)，為計算管材的彈性模量和泊松比，需要管道的幾何尺寸及相應鋼管和HDPE管道的彈性模量和泊松比，管道參數(shù)見表2。

表2 管道的幾何尺寸及部分物理性質

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

它們之間的關系為

E=EfVf+EmVm

(1)

ε=εfVf+εmVm

(2)

其中，Vf，Vm分別為各材料占復合材料體積的百分比。

通過上述方法 ，計算得鋼襯HDPE管道彈性模量與泊松比分別為

E=95 603MPa，ε=0.34。

2)管內介質(尾礦礦漿)的物理性質

管道的輸送介質為尾礦礦漿，礦漿的物理性質見表3。

(1)兩相流的彈性模量[4]計算公式為

(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

(2) 管道中礦漿的波速的計算公式為

(4)

式中：ρm——漿體密度；

D——管道內徑與外徑的平均直徑；

δ——管道壁厚。

計算得礦漿在鋼襯HDPE管道中的波速am=1 075.8m/s。

(3) 礦漿的動力粘度經實驗給出的公式為

KBP=μW+0.9C8.9

(5)

式中：μW——水在25 ℃時的動力粘度，其值為0.000 894Pa·s；

C——尾礦礦漿的質量濃度。

得出礦漿在25℃下的動力粘度為KBP=0.005 294Pa·s，

從而，該礦漿在25℃下的運動粘度為ν=KBP/ρm=3.248×10-6m2/s。

2.2 建立計算模型

針對本項目中遇到的水錘問題，使用Bentley公司開發(fā)的專業(yè)水錘計算軟件Bentley Hammer進行計算。軟件計算原理采用目前國際上較精確的特征線法對水錘進行模擬計算[5-6]。

1)計算模型

根據(jù)項目資料建立的水錘計算模型如圖1所示。從泵站到尾礦庫管線全長2.7km，高程不斷升高，最終到達尾礦庫壩頂標高為983m，管線全長根據(jù)設計要求設置詳細的各設備及閥門模型，并給定工藝參數(shù)。

圖1 尾礦管線走勢及高程模型圖

2)管網平差

設置好計算模型之后，首先需要在初步分配流量的基礎上，反復進行迭代計算，直到同時滿足連續(xù)性方程和能量方程，即進行管網平差計算，其結果如圖2所示。

圖2 管網平差計算結果

3 計算結果以及結果分析

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，其計算結果如圖3。

圖3 停泵水錘水壓高程線

通過圖3的結果發(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計范圍內。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沖擊不會對管道造成重大破壞性影響。

3.2 關閥水錘

閥門初始資料為管路截斷閥在0～30s內關75%，在30～70s內關至100%，現(xiàn)在對該閥門在上述關閉特性時的關閥水錘進行計算。其計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 70s完全關閉閥門的水壓高程線

從圖4及圖5可以看出，70s關閥特性的水錘壓力非常大，管網壓力最高可以超出正常壓力100m水柱，從管壁壓力上看，管網最高壓力達到4.5MPa，而該管線的設計壓力為4.0MPa，一旦發(fā)生關閥水錘，將不能保證管道的安全可靠運行。此處考慮是關閥過快導致，現(xiàn)在將閥門關閉特性調整為0～60s關閉75%，60～180s關至100%，調整后的關閥水錘管壁壓力如圖6所示。

圖6 180s完全關閉閥門的管壁壓力線

從圖6可以看出，水錘壓力較70s完全關閉的閥門壓力有明顯的下降，最高水錘壓力在設計壓力范圍內。而從圖5和圖6看出，管道內的最小壓力均為-10m水柱，基本為真空狀態(tài)，如果管道剛度較小，極易失穩(wěn)，需尋求進一步的解決方案。

3.3 解決方案

從上述計算可見，尾礦管道發(fā)生水錘時，管道中存在循環(huán)負壓，而且尾礦礦漿密度比水大(但飽和蒸汽壓與水相同)，在泵送的過程中動量較大，一旦發(fā)生停泵或關閥等特殊工況時，管線中的礦漿比水更容易形成較大的負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，在管道中產生強烈脈動壓力[8]，持續(xù)較大的管道負壓易造成管道的外壓失穩(wěn)，對裝置穩(wěn)定運行極為不利。現(xiàn)在擬在泵站附近設置空氣罐，以改善管道中存在的負壓。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，負水錘基本消失。由此可見，增加空氣罐可以顯著降低水錘帶來的管道壓力波動，對生產操作的安全性可以提供更明顯的安全保障。

3.4 配置方案

經過上述分析，項目初始給出的閥門關閉特性不滿足水錘消除要求，現(xiàn)在予以更改為0～60s閥門關閉75%，60～180s閥門關至100%，閥門關閉與時間呈線性關系，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，將在管道內產生水錘沖擊，但由于泵和電機的慣性存在，泵和電機會慢慢停轉，這可以大大降低水錘對管道的危害。

(2) 主管線上的起切斷作用的閥門過快關閉會造成管道內壓力波動劇烈，如果閥門過快關閉，無論是管道正壓，還是管道負壓，都將較大地超出管道的設計范圍，對裝置的安全可靠運行極為不利，不論是否考慮增加空氣罐等外加設備，均應在設計時把由于閥門關閉造成的水錘效應控制在管道能承受的合理范圍內。

(3) 在極端工況下(如閥門快速關閉或者突然停泵等)，管道內會產生真空脈動壓力，這對剛度較大的管道影響不大，但是對于本文中涉及的鋼襯HDPE管道，由于鋼與HDPE的結合面強度較差，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，造成管道無法正常輸送介質。故對于易發(fā)生失穩(wěn)變形的材料，要高度重視管道內部負壓的控制。

(4) 增加空氣罐可以顯著降低管道內由于水錘效應產生的較大正壓及負壓。與其他設備相比，空氣罐具有不易堵塞，易維護，造價低等優(yōu)點。例如，在水系統(tǒng)廣泛應用的空氣閥[9-11]，如果應用于礦漿管道，則由于孔徑較小，則會經常發(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，故不適用于礦漿介質；而調壓塔效果很好，但是其造價昂貴，適用于長距離大孔徑的管道輸送，在礦山項目中通常也不適用。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。