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粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究 ① 李秋华， 唐达生， 肖 红， 宋跃文， 黎 宙 （长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012） 摘 要 为研究粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内的流动状态，在实验室建立了 2 套试验系统，对提升硬管底部 Y 型结构和 U 型 结构开展了粗颗粒提升输送性能试验研究，分析了粗颗粒提升速度和输送浓度对流动状态的影响，观察了 2 种管道结构下粗颗粒 的堵塞状态。 结果表明，Y 型结构的输送状态优于 U 型结构。 该研究结果可为深海采矿系统中提升硬管底部管道结构设计提供试 验验证基础。 关键词 管道输送； 流动状态； 提升硬管； 粗颗粒； Y 型结构； U 型结构； 提升流速； 深海采矿 中图分类号 TD522文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.01.002 文章编号 0253-6099（2019）01-0005-04 Experimental Study on Moving State of Coarse Particles at the Bottom of Lifting Pipe LI Qiu-hua， TANG Da-sheng， XIAO Hong， SONG Yue-wen， LI Zhou （State Key Laboratory of Exploitation and Utilization of Deep-sea Mineral Resources， Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd， Changsha 410012， Hunan， China） Abstract Two sets of testing system were set up in the laboratory for exploring the moving state of coarse particles at the bottom of lifting pipe. Experimental studies were conducted for the transportation perance of coarse particles respectively in the lifting pipe of Y-type and U-type configurations， and the influences of lifting velocity and transportation concentration on the moving state of coarse particles were analyzed. Furthermore， the blocking phenomenon in the pipe of two configurations was presented. It was found that the coarse particle transportation in the pipe of Y-type configuration was better than that in pipe of U-type configuration. This research can provide an experimental verification for the design of the bottom configuration of lifting pipe in deep-sea mining system. Key words pipeline transportation； moving state； lifting pipe； coarse particle； Y-type configuration； U-type configuration； lifting velocity； deep-sea mining 深海采矿是一个庞大复杂的系统工程，目前水力 管道提升输送是深海采矿系统重点研究的扬矿方法之 一。 从已有的资料分析可知，水力管道提升模式有两 种，一种是提升硬管输送软管，这种系统的特点［1］ 是采矿车采集的矿物通过输送软管直接送至提升硬 管底部，通过提升电泵经管道提升至水面采矿船上，输 送浓度与采矿车行走速度和结核丰度有关，其输送流 态存在不稳定现象。 另一种是提升硬管水下中继站 输送软管，这种系统的特点是采矿车采集的矿物通过 软管输送至水下中继站的料仓中，料仓中的给料机将 矿物送至提升硬管底部的连接装置，再通过提升电泵 提升至水面采矿船上，输送浓度可通过给料机控制，输 送流态相对稳定。 韩国于 2015 年完成 500 m 水深立 管水下中继站的海上试验，但海试规模尚未达到商 业开采的能力［2］。 中国在大量扬矿实验室试验［3］的 基础上，于 2016 年 6 月在水深 3 700 m 的中国南海某 海域成功进行了“深海扬矿泵管输送系统”海上试验， 这是我国首次进行该方面的海上试验，验证了目前提 升输送方案的可行性。 鹦鹉螺公司于 2017 年完成了 采矿车的浅海调试试验，提升输送系统尚未进行海上 试验验证。 目前中国采用提升硬管水下中继站输 送软管式的水力提升输送系统，水下中继站作为配重、 缓冲和储料装置，输送软管将采矿车采集的矿物储存 至水下中继站内的料仓中，通过料仓中的给料机将矿 ①收稿日期 2018-08-13 基金项目 国家重点研发计划（2016YFC0304103）；国家自然科学基金（51339008）；工信部项目（MC-201601-C01） 作者简介 李秋华（1988-），女，河南商丘人，工程师，主要从事深海采矿系统结构力学研究。 第 39 卷第 1 期 2019 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №1 February 2019 ChaoXing 物输送至提升硬管，这其中比较关键的设备为提升硬 管底部与料仓连接装置，它是矿物由料仓进入提升系 统的咽喉，目前针对该方面的设计研究暂未找到相关 参考资料。 本文主要针对 2 种比较典型的连接结构，一种为 U 型结构，一种为 45倾角的 Y 型结构，对 2 种结构进 行粗颗粒矿物输送状态试验研究，给出比较适于海洋 采矿提升硬管底部的连接装置，为深海采矿提升硬管 底部管道结构工程设计提供试验基础。 1 试验系统和试验方法 1.1 试验系统 U 型和 Y 型连接结构详见图 1。 图 1 U 型（左）和 Y 型（右）连接结构 为研究粗颗粒矿物在连接管道内的运动状态，在 实验室建立了 2 套试验装置，如图 2 所示。 水面 进料漏斗 流量计 Φ50钢管 支撑平台 三楼楼面 水面 进料漏斗 提升电泵 U型结构 Y型结构 Y型结构 稳压水箱 透明橡胶管 提升电泵 透明橡胶管 流量计 Φ50钢管 支撑平台 三楼楼面 K K 400 图 2 U 型（左）和 Y 型（右）提升试验装置 该试验系统垂直高度 10 m、提升管内径 50 mm。 系统主要由离心泵、给料装置、提升管、回流管、稳压 管、稳压水箱等组成。 整个输送管道采用透明塑料管， 以便观察粗颗粒输送过程中的流动状态。 在提升管上 部安装了两极离心泵和电磁流量计，通过变频器调节 泵的转速，对提升管道内流速进行调节，水流速度采用 电磁流量计测量。 在提升管和泵进出口处安装压力 计，提升管上部安装流量计以测量相关数据。 Y 型提 升系统在稳压水箱中安装透明玻璃窗口，U 型提升系 统全部采用透明胶管，利用 DV 相机观察管道内颗粒 运动状态。 试验用粗颗粒采用人工模拟结核，粒径为 5 mm、 10 mm、15 mm，经测定模拟结核平均形状系数为 0.9， 湿密度为 2 000 kg/ m3，5 mm、10 mm、15 mm 结核的沉 降速度分别为 0.457 m/ s、0.526 m/ s 和 0.591 m/ s［4-6］， 试验体积浓度 5％，投料量约 5.6 kg。 每组试验投料量 保持一致，调节离心泵转速，可控制管道内流速，从而 得到不同输送速度下粗颗粒在 U 型管和 Y 型管内的 流动状态。 1.2 试验方法 试验前将提升管道内充满清水，启动离心泵调节 提升管道内水流速度，设置泵的频率，分别标定上行管 清水流量，以此检验管道系统的通畅性及可靠性。 其次，调节泵转速使其达到预定试验点流速，稳定 运行一段时间后，采用给料装置进行人工投料，标定提 升浓度和提升流量。 改变泵的频率逐步降低提升速 度，直至在 U 型管和 Y 型管内粗颗粒出现堵塞现象。 输送试验结束后，在正常输送状态下进行紧急停泵 试验，试验条件为提升泵频率 25 Hz，输送浓度 5％。 2 试验结果与分析 2.1 清水输送性能 提升管清水流速与泵工作频率关系见图 3。 由图 3 可以看出，提升管清水流速与泵频率基本呈线性关 系，清水流速随泵频率增加而增加。 在同一泵频率条 件下，Y 型管试验系统的清水流速大于 U 型管试验系 统，这是因为 Y 型管试验系统大部分水流通过 Y 型结 构下端入口流入提升管道，管道阻力较小，而 U 型管 试验系统下行管的水流增加了管道阻力的原因。 由此 可知，Y 型管试验系统中泵的能耗较低。 频率/Hz ■ ■ 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 201525303540 流速/（m s-1） Y型管 U型管 ◆ ◆ ■ ◆ ■ ◆ ■ ◆ ■◆ ■ ◆ 图 3 提升管清水流速与泵工作频率关系 6矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 2.2 粗颗粒输送性能 2.2.1 输送状态分析 在 U 型管试验系统中，当提升管水流速度较低 时，固体矿物颗粒在管道中受重力作用，大部分颗粒沿 底部管壁运动，运动过程中颗粒与管壁发生剧烈碰撞， 消耗大量能量，导致局部颗粒速度降低，从而使局部颗 粒浓度增大，固体矿物颗粒淤积在 U 型管底部，极易 造成管道堵塞。 降低泵工作频率，或增加给料量，U 型 管底部均会出现不同程度的固体矿物颗粒堆积现象。 因此，U 型管试验系统需要有较高的提升速度，才能确 保提升系统颗粒输送的安全性。 在 Y 型管试验系统中，当提升管道水流速度较低 时，固体矿物颗粒在 Y 型结构混流室内自由沉降，由 提升管道产生的上升水流把自由沉降的颗粒由浮游转 换成输送状态，颗粒在输送过程中，由于重力作用，粗 颗粒沿提升管底部管壁滑动，细颗粒在提升管中上部 有一定的输送速度，管道断面浓度分布极不均匀。 在 这种流态下，若进一步增加提升管道内的水流速度，沿 提升管底部管壁处于滑动状态的颗粒将转换成正常的 输送状态，管道断面颗粒浓度也基本趋于均匀分布。 若进一步降低提升管道内水流速度，即提升管水流速 度小于颗粒自由沉降速度的 2 倍，在混流室内自由沉 降的颗粒将全部由进水管道口排放到水中，从而避免 了在 Y 型管内颗粒堵塞。 对比分析可以看出，在提升流速较低的情况下，两 种类型的管道底部均有矿物堆积，U 型管内矿物沉积 在管道底部，Y 型管道内沉积的矿物由进水口排出，该 种状态下，给料机按照一定速度继续给料，U 型管道底 部沉积的物料会越来越多，造成堵塞；Y 型管道内的沉 积物料会由进水口排出，不会造成堵塞。 2.2.2 输送性能分析 按固体矿物最小提升速度大于最大颗粒沉降速度 的 2～3 倍考虑［4］，本系统中提升安全输送速度应大于 1.18 m/ s。 体积浓度为5％时，不同提升速度下，2 种结 构状态的输送性能见表 1。 提升速度 0.71 m/ s 时，U 型管底部有大量结核淤 积，Y 型管底部大部分粗颗粒结核淤积在管道底部，在 重力作用下，结核由进水管排出，只有很少部分细颗粒 结核在提升管道底部滑移，且滑移速度较低。 其原因 是提升水流速度接近粗颗粒结核的沉降速度，粗颗粒 结核难以在提升管内形成输送状态，粗颗粒进一步的 淤积将导致管道堵塞。 提升速度 1.06 m/ s（即提升速度为粗颗粒矿物沉 降速度的 2 倍）时，可以看出，U 型管底部仍有少量粗 颗粒结核淤积，大部分细颗粒结核在上行管内靠管壁 表 1 不同输送速度下 U 型管和 Y 型管输送状态 提升速度 / （ms -1 ） 运行状态 U 型管Y 型管 0.79 1.06 1.35 运动，且运动速度较低。 Y 型管大部分结核被输送至 提升管，但仍有少量粗颗粒结核淤积在管道底部，粗颗 粒向进水管方向滑移，滑移速度呈减缓趋势，粗颗粒在 管道底部相对集聚将引起局部颗粒浓度增大，导致提 升管内细结核输送流态极不稳定，一旦遇到扰动，便容 易发生管道堵塞。 提升速度 1.35 m/ s（即提升速度为粗颗粒矿物沉 降速度的 2.6 倍）时，可以看出，U 型管和 Y 型管内结 核颗粒均可正常输送，管道底部没有发生大量结核淤 积现象。 进一步观察可以看出，U 型管仍有少量粗颗 粒结核贴近管道底部运动，管道断面浓度分布不均匀， 这是由于重力及提升水流产生“离心力”作用的原因， 对管道底部磨损较严重。 由此可知，当提升速度为 0.79 m/ s、1.06 m/ s 时， 固体矿物颗粒在 U 型管和 Y 型管运动过程中产生了 淤积、滑移、局部颗粒浓度增大、管道断面浓度分布不 均匀等现象，这不能满足固体矿物颗粒正常输送要求。 当提升速度达到 1.35 m/ s 时，固体颗粒在 U 型管和 Y 型管中均可以正常输送。 从输送稳定性方面考虑，Y 型结构的输送流动状态优于 U 型结构。 实际工况运 行条件下，考虑到输送安全性，固体矿物颗粒提升速度 应为结核矿物最大颗粒沉降速度的 3 倍。 2.2.3 紧急停泵状态分析 图 4 为紧急停泵情况下的观察结果，显而易见， 7第 1 期李秋华等 粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究 ChaoXing U 型管道中结核颗粒由于重力作用均向 U 型管底部 运动，堆积在 U 型管道底部，造成管道堵塞；Y 型管道 中的结核颗粒全部从进水管道底端排放到水下，未出 现管道堵塞现象。 图 4 紧急停泵情况下，U 型结构（左）和 Y 型结构（右）管道内 物料运行状态 3 结 论 1） 结核颗粒在提升硬管底部管道内的流动状态 与管道结构密切相关，考虑到结核粒径、提升流速和输 送浓度的影响，对比试验结果显示，Y 型结构的流动状 态优于 U 型结构。 2） 试验分析结果表明，输送速度和输送浓度会影 响输送安全性，建议固体矿物提升速度应为矿物最大 颗粒沉降速度的 3 倍，才能保证输送安全性。 参考文献 ［1］ Porter Hoagland， Stace Beaulieu. 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