管道输送泥浆阻力特性及堵管现象浅析

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1、管道输送泥浆阻力特性及堵管现象浅析新海豚轮顿纯纯李珩一、引言绞吸船输送泥浆原理是通过离心泵产生负压后，将泥浆吸起并经过泥泵增压后，通过管道将泥浆输送至指定区域;泥浆是由固体泥沙和水相互混合而成，其流量大且浓度高，在输送过程中，泥浆中的固体颗粒会逐渐分层沉积，聚集在管道的底部，引起泥浆淤积堵管和管道阻力增大等输送问题;堵管发生后，必须长时间泵送清水，不仅影响正常施工进度，而且代价极大;研究管道输送泥浆阻力的影响因素，并采取相应的技术措施能有效减小管道阻力损失避免堵管现象的发生，对于提高船舶施工效率和降低能耗都具有重要的意义。二、管道输送泥浆阻力损失机理采用管道输送的泥沙，一般为

2、非均质流浆体。在水流强度作用下，浆体浓度沿垂直管轴线表现为上稀下浓，颗粒上细下粗的分布规律;在输送过程中，泥沙颗粒分别以悬浮、跳跃、滚动和滑动等多种状态存在，在一定施工流速下，泥浆颗粒以悬移运动形式或推移运动形式运动。泥浆阻力损失的内在机理在于泥浆运动过程的能量耗散，主要表现为沿程压力下降;能量消耗的影响因素：流态、粒径、浓度、管壁粗糙度等三、管路泥浆阻力消耗特性第Ⅰ个阶段，固体颗粒沉积于管底或在管底晃动而不随水流流动;第Ⅱ个阶段,固体颗粒中较细的部分开始滑动、滚动或跳跃;第Ⅲ个阶段,大部分固体颗粒处于间歇悬浮或跳跃状态;第Ⅳ个阶段，绝大部分固体颗粒处于间歇悬浮或跳跃状态;第

3、Ⅴ个阶段，固体颗粒处于完全悬浮状态.三、管路泥浆阻力消耗特性在同一管道流速下，泥浆浓度越高需要总压头就越大;泥沙颗粒越粗，管道阻力将越大，相应的曲线就将上升远离水平轴，否则曲线随之下降靠近水平轴。四、泥浆的临界流速临界流速是影响管道阻力损失的主要因素。通常，可把固体颗粒从悬浮状态下流速由大变小，直至开始滚动、滑动和沉积形成固定床时的最高流速，称为临界流速;影响临界流速大小的因素主要有泥浆浓度、土颗粒级配和形状等;泥沙土颗粒粒径越大，所需要的临界流速越高。四、泥浆的临界流速浆体流速低于临界流速时，发生沉淀，管道就有堵塞的危险；浆体流速高于临界流速时，大量的能量消耗在泥沙颗粒的均

4、匀悬浮上，扬程消耗增加。实际泥浆流速越接近临界流速，其管道阻力越小。当管道断面的平均流速刚好超过临界流速时，管道阻力最小、功率最省。但对于长距离浆体管道输送，必须要求输送流速比临界流速高一些。四、泥浆的临界流速新海豚轮在连云港港30万吨级航道先导试挖工程疏浚工程H1.1标段施工时，由于其土质状况极为复杂，不仅有淤泥、硬塑性粘土、粗砂，还有40-60cm的钙化结核层，土质分布不均匀，无一定规律可循，均匀质粘性土的临界流速和最低实用流速不能满足该工程需要;经新海豚轮较长时间的施工实践总结，最终确定施工流速不能低于4.8m/s左右施工。五、施工中的堵管现象分析及应对措施排泥管道内的

5、阻力组成：泥浆从零开始加速直至变为流速所需要的动力；管路内的阻力，影响因素有管径、管长、土质、浓度、粒径等；其他阻力，如管路的弯道和缩口；吸口与排泥口的垂直间距产生的阻力。五、施工中的堵管现象分析及应对措施对整个管路输送系统来说，泥泵所产生的有效扬程在管路中阻力消耗后仍然要有足够的能量使泥浆获得输送必需的动能。管路阻力损失是不断变化的。泥泵机组所产生的有效扬程与管路能量消耗之间的不平衡在参数上表现为施工流速变化和排压的上升或下降。五、施工中的堵管现象分析及应对措施（1）施工操作当平均施工流速较大时，一方面使得土颗粒间相互作用的程度加大，另一方面也使得水流支持土颗粒悬浮的能量加

6、大。一旦管路的总压头小于能量消耗，流速就会下降。浆体的紊流状态也会因流速的下降而减弱，一旦低于输送该种土质条件下的临界流速，管路内高浓度的泥浆就会逐渐沉积，造成管道输送阻力的上升。瞬时泥浆浓度很高在流速接近临界流速时特别有堵管的危险，泥浆浓度的急剧上升提高了泥浆所需的临界流速，同时高浓度的泥浆中含有的土颗粒（粘土团、钙化石块等）会增加，施工流速变小会加速泥浆中土颗粒沉降，此时增加泥泵机组转速要比逐步降低泥浆浓度更为有效。五、施工中的堵管现象分析及应对措施（2）土质状况在一定的绞刀转速下，绞刀在挖掘硬塑性粘土时，原状土由于没有得到充分粉碎和与水得到充分混合。在管道输送过程中，泥

7、浆中由于存在大量固体，固体与固体之间相互碰撞粘连，容易形成了体积较大的泥球，增大泥浆中颗粒物的沉降速度，泥质颗粒的粒径增大改变浆体运动所需的临界流速，此时需要较高的施工流量才能避免管路堵塞，因此在此种状态下，施工浓度不宜过高。当固体颗粒在管道中以悬浮质形式运动时，因泥沙的存在而增加的能量损失不因管道向上或向下而变化，但泥浆颗粒以推移质形式运动时，上倾管道要消耗更多的能量，而下倾管道则要减少能量消耗，但这一增一减不能相互抵消，施工过程中当浓度较高时应特别注意，应避免在沉江管与岸管之间等过渡区域发生过度泥浆