王兆博

（長(zhǎng)春黃金設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

鎢尾礦運(yùn)輸管道中一級(jí)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(jìn)到二級(jí)泵站，跨國北大河之后，通過泵揚(yáng)送至尾礦庫。管道總體表現(xiàn)出“U”型形態(tài)，存在落差大、揚(yáng)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(zhǎng)達(dá)半年時(shí)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(zhǎng)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(yùn)輸機(jī)理介紹

1.1 漿液顆粒漂浮機(jī)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(diǎn)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(dòng)時(shí)，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(shí)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(dòng)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(xì)的固體含量梯度為特點(diǎn)，很多工業(yè)管路從運(yùn)輸漿體至運(yùn)輸煤礦均具備這個(gè)特點(diǎn)。該鎢尾礦漿液流態(tài)性質(zhì)也滿足這個(gè)磨阻損失和流速的對(duì)應(yīng)聯(lián)系。當(dāng)流速很高時(shí)，曲線和獨(dú)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(dòng)的和互動(dòng)的積淀層，這時(shí)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?yàn)榭s小了有效流體面積導(dǎo)致磨阻損失（ΔP ）增多，該種流動(dòng)狀態(tài)也許是相對(duì)不穩(wěn)固的。

在具體使用中管道運(yùn)轉(zhuǎn)不可小于淤積流速。不僅有管道堵塞的安全危險(xiǎn)外，還將在管道底部出現(xiàn)諸多磨損，而針對(duì)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(xì)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(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)固定取決于穩(wěn)定的預(yù)計(jì)淤積流速。

1.3 運(yùn)輸流速的預(yù)計(jì)

漿體管道運(yùn)輸目的在于以懸浮狀態(tài)運(yùn)輸固體顆粒（指達(dá)到或類似均質(zhì)流）。如果顆粒不再通過懸浮狀態(tài)運(yùn)輸，這時(shí)的流速等于或小于臨界流速，而無論產(chǎn)生的床層為活動(dòng)的亦或是不變的，這兩種狀況對(duì)管路的長(zhǎng)時(shí)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(yùn)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(jì)觀點(diǎn)來說，盡量在略高于預(yù)期淤積流速下工作[1]。盡管如此會(huì)引起很大的磨阻損失，但其給設(shè)計(jì)以較高的安全度并防止十分接近淤積時(shí)的高程不均質(zhì)狀態(tài)，進(jìn)而削減管壁磨損。

鎢尾礦運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)全面考量運(yùn)輸漿體含量、再選廠尾礦顆粒、總運(yùn)輸量等因素，根據(jù)漿體運(yùn)輸淤積流速預(yù)估計(jì)量研究，運(yùn)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(yùn)輸，運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.4 運(yùn)輸壓力的預(yù)計(jì)

在工業(yè)運(yùn)用中運(yùn)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?jǐn)?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(jì)辦法，適用于高于淤積流速的全部流速。對(duì)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(huì)出現(xiàn)，磨阻損失能夠根據(jù)均質(zhì)懸液計(jì)量。

管路的ΔP 和fm、管道長(zhǎng)度呈正比，由此來選用運(yùn)輸泵的性能（指出口負(fù)荷）。而對(duì)于該鎢尾礦管線規(guī)劃，還仔細(xì)考量了如下幾點(diǎn)因素：①選礦廠Ⅰ級(jí)泵單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)方式；②再選廠運(yùn)行時(shí)尾礦運(yùn)輸量、尾礦含量增多，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)形式；③根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有效使用地形重力勢(shì)能達(dá)到減排效果。整體考量上述因素，通過計(jì)算Ⅱ級(jí)泵站設(shè)置運(yùn)輸泵最高壓力是40kg/cm2。從現(xiàn)場(chǎng)制造運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)信息分析，設(shè)計(jì)滿足了預(yù)期目標(biāo)。

1.5 磨損的管理機(jī)理介紹

管道磨損通過固、液相性質(zhì)、流動(dòng)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(yùn)輸大顆粒物質(zhì)就要求加大最低運(yùn)輸流速[2]。通過試驗(yàn)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(xì)顆粒需要的流速很低，細(xì)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(gè)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(shí)，若流速低于3m/s，那么磨損能忽略不計(jì)。如果漿液顆粒C/CA＜0.5時(shí)，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(shí)，骨戒顆粒產(chǎn)生低床順著管底移動(dòng)，且造成磨損。C/CA值會(huì)伴隨漿體含量增多而增大，而當(dāng)漿液的磨蝕性達(dá)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(shí)，這類準(zhǔn)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(xiàng)目設(shè)計(jì)重點(diǎn)從如下幾方面著手：①尾礦采取選別后直接運(yùn)輸，漿體運(yùn)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(dòng)，且引發(fā)磨損。②高寒早晚溫差大，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，經(jīng)過增多伸縮節(jié)與設(shè)立固定、滑動(dòng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(kuò)大拐彎半徑，彎道采取剛玉耐磨管等方法。

1.6 運(yùn)輸泵的選取

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

針對(duì)需要運(yùn)輸壓力超過457kg/cm2的系統(tǒng)，因?yàn)樵鼭{泵的抗壓力有限，只有技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求的輸送泵輸送，方案是可行的。針對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)漿液顆粒懸浮物質(zhì)、非均質(zhì)固體的流態(tài)研究，設(shè)計(jì)整體考量漿體含量、再選廠尾礦粒度、總運(yùn)輸量等因素干擾，設(shè)置運(yùn)輸流速區(qū)間是2m/s～2.5m/s，運(yùn)輸最高壓力是40kg/cm2。

（2）管道磨損由顆粒固液相性質(zhì)，流動(dòng)環(huán)境，管壁種類等因素所決定。運(yùn)輸結(jié)構(gòu)以紊流流態(tài)運(yùn)輸，防止固結(jié)顆粒產(chǎn)生低床順著管底移動(dòng)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(yùn)輸泵性質(zhì)、再選廠生產(chǎn)運(yùn)輸量改變和今后壩體增高等要素，對(duì)于重要二級(jí)泵站選擇兩組三臺(tái)串聯(lián)泵搭配，單組1、2級(jí)泵搭配調(diào)頻設(shè)備。