软粘土低气压远距离管道输送的研究与应用

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软粘土既非固体，又非液体，隶属于宾哈姆 (Bingham)体的范畴，很难实现远程管道输送。这种非牛顿流体及其在扰动下的再固结特性 ，在输送过程中具有很大的粘滞阻力。

就输送设备的现有技术来说，泥浆浓度大于 30%或粉粒状干土含水量大于 12%就无法管道输送。而在工程中大量泥土的自然状态都处于难以用管道输送的范围∩见 ，对软粘土的远距离输送问题的研究，具有十分重要的工程意义 ，同时又是-个国际性难题。

软粘土天然抗剪强度低、压缩性高、透水性小 ，且高孔隙比、高含水量。国外著名的软粘土有挪威的 Drammen粘土、加拿大的 Champlain (Leda)粘土、美国 Boston蓝粘土等。在我国，软粘土主要分布在天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门、泉州、广州等沿海城市以及内陆的武汉、南京等城市，当前，这些城市也正是土木工程活动最活跃 的地 区。

在水库、湖泊、河道中，沉积的泥层，使河床提高。这不但减少库容 ，污染环境，影响交通 ，而且在汛期会使洪水泛滥，危及堤防。在海岸工程和海岛工程施工中，常要求在离堤坝几百米甚至几千米以外取土，进行堤坝的土方闭气 。

这类土层粘性大，强度低、含水量大，陆上机械下不去，水上机械上不来，现有的设备难以发挥作用，人工又无法施工。

另外 ，原生煤泥、城市污泥、造纸污泥等-类工业副产品和废弃物 ，在石油、化工、采矿、环保等诸多方面，都涉及到软粘土的管道输送。因此，软粘土远距离管道输送的方法与设备，具有广阔的市场需求和广泛的应用前景。

-、 背景技术流体减阻问题 自从 Toms和 Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现粘性减阻以来，已经近半个世纪了，由于工业生产中到处都存在粘塑性流体，而减阻技术又直接为节约能源、提高效率服务，因而倍受重视↑年来减阻研究取得了长足发展，在国际上已召开多次有关减阻的学术会议 ，减 阻已发展成 - 门专 门独立 学科 。国 内外对Bingham流体进行了-些基赐应用研究。美国印地安纳州Lafayette学院的Bingham教授首先提出了粘塑性流体的概念，Truesdell在第四届国际流变学会议上介绍了流动和变形的理性力学，奠定了流变学更严密的理论基础，流变学得到了很大的发展。作为流变学研究的-个重要组成部分，上世纪70年代以来国外对 Bingham 流体的管流及管道输送作了-些研究，主要集中在 Bingham 流体管流的流速分布、流体结构、管壁摩擦阻力、压降规律等方面。国内对 Bingham流体也做了-些有益的理论和应用研究。黄委会水科院赵文林l1 J、杨文海L2、钱意颖3等进行了高含沙水流基本规律的试验，研究了浑水粘滞系数与宾哈姆体物理特性 ；清华大学钱宁 J、费祥俊5，西北水科所张浩、任增海l6 也对高含沙水流的流变特性进行了卓有成效的研究；特别是在国家 85科技攻关项目中，武汉大学王明甫、陈立1 ，清华大学费祥俊l8等又做了大量工作，对管道及天然河流高浓度泥浆在不同流态、不同流区的阻力规律、流速分布特点又进行了比较系统、深入的研究，分析了清、浑水水力坡降的相互关系。所有这些研究成果奠定了高含沙水流理论的基矗本课题组成员采用有效的方法，实现软粘物料远距离管道输送的方法与设备。如中国专利：-种气力输泥方法及系统9(93104552.5)，表面膜减阻方法与粘塑性物料管道输送技术1驯(200710 126557.x)，环保型清淤输泥设备l1ll(00247696.7)，用于铺设管道的水上浮体l(200720153007.2)，粘 塑 性 物 料 管 道 输 送 设 备 l1 3j(200720156216.2)，软粘物料输送管道水上铺设方法与装置l (200710194649.1)，根据大量的文献分析，课题组成员无论在理论研究，还是工程实践中；无论是专用设备研究上，还是施工工艺设计上；都做出了开创性的贡献。有效地解决了软粘物料远距离管道输送的诸多难题”。

在前期研究和工程实践基础上，进-步研究低气压远距离收稿 日期：2012-09.12作者简介：廉兴格 (1987-)，女，河南洛阳人，浙江工业大学结构工程硕士研究生。

278 中 国 水 运 第 13卷管道输送粘土技术 ，具有能耗低、浓度高、输距远的特点。

二、技术方案现有技术认为，Bingham 流体表观粘度大，在管内流动时阻力很大，认为无法用管道输送，更无法低气压远距离管道输送。本项 目研究泥土的特性和影响输送的主要因素及规律〃立模型，研究在气、液、泥等多相介质状态下边界层的相互作用机理和内在规律。提出-种表面膜条件下的非连续相柱流输送方法，研发了能远距离输送高浓度、高粘性、低含水量的淤泥和软粘土的新方法和设备。打破历来被认为软粘物料无法管道远程输送的禁区。

1 技 术要 点(1)表面膜减阻润滑方法 ：采用添加表面活性剂仿生动物肠道膜、无鳞鱼的体表粘液的方法，克服了软粘土与管壁之间的粘滞阻力，起到软粘土的润滑、脱水、固结作用。

本方法采用减润滑理论和活性剂技术，使得管壁与泥柱之间垫有-层悬浮膜，使泥土的内摩擦力大干壁摩擦力，以减少粘滞阻力，增加料柱间的密封。实验结果：经 18个 4组壁摩擦对比实验表明。表面膜在粘塑性物料管道输送中起着重要减阻作用。在淤泥质粘土与钢管之间，摩擦角最小的是加 0.075%的发泡表面活性剂，其次是 0.01%润滑表面活性剂，接着是泥浆和水。不用表面膜时原状土摩擦角为就无法在管道中远距离输送。

(2)非连续相柱流气力输送方法克服了物料对管壁的粘滞性，减少了泥柱在管道中的行进阻力，并不等于就能远距离输送。

管道内气体的推力可表示为 F3.14Pd2/4，总阻力可表示 为 W 3.14fdL管道内气体的推力 F应大于等于总阻力 w。即 F≥w，3.14Pd2/4≥3.14fdLPd≥4IL式中：P-管内气体压差；d-管道内径；f- 摩擦系数；L-管道内泥柱长度。

可见，要增大输送距离，通常有三个途径 ：增大推送压力，加大管径，减少了物料的运动摩擦力。但是增大推送压力和加大管径都很经济，减少了物料的运动摩擦力又很有限。

本研究独辟新径，提出非连续相柱流气力输送方法，通过脉冲切割器或其他成栓方法 ，并将气体垫于其中进行输送。不同距离输送时，只要调整泥柱和气柱的长度及比例。并调整到总推力大于和接近于总阻力，输送过程就好像空气弹簧推动着泥活塞在管道中行进。实现最佳的气料比和需要的输距。

三、表面膜实验我们的研究要达到的减阻是通过使用添加剂来实现的，而添加剂的选择是远距离输送粘塑性物料的关键技术之-，因此探讨各种不同的添加剂对输送特性的影响，探讨添加剂改良输送特性的机理，完善粘塑性物料远距离输送的理论体系，做到最大限度的节约能源，提高输送效率就显得格外重要。输送不同的物料采用不同的添加剂。添加剂根据的输送物料可有不同的选择，-般是在水、气和混合物中外加表面活性剂、增润剂、发泡剂，如烷基硫酸盐，烷基醇酰胺，脂肪醇聚氧 乙稀醚硫酸盐，烷基苯酚聚氧 乙稀醚，聚次甲基萘磺酸盐，亚甲基二萘磺酸盐，木质素磺酸盐等。以下是相关的实验：配制浓度为 0.1%非离子溶液，0.1%阳离子溶液 ，0.1%阴离子溶液，用圆柱体模型制作试验试块，试块重量为50.124g，把水涂于铁板和瓷砖，放上试块量取试块滑动时铁板和瓷砖上台的高度，依次把 0.1%非离子溶液，0.1%阳离子溶液，0.1%阴离子溶液。涂在铁板和瓷砖上，重复以上步骤，把 0.1%非离子溶液，0.1%阳离子溶液，0.1%阴离子溶液的浓度调配成 0.2%涂在铁板和瓷砖上，重复以上步骤，结论：配方 4在加水 200ml～300ml的时候效果最好。

四、工程应用的设备已有 60m。/h、100m。/h、200m。/h、300m。/h几种型号投入工程中应用，解决了土方闭气的工程难题。并被湖泊清淤、港航疏浚和陶粒生产中应用，取得明显的经济效益。

蠢 蠹施工中的 1OOm。/h气力管道输泥船图2 施工中的300m。/h气力管道输泥船五、结语通过非牛流--宾哈姆体 (Bingham)管流研究。提出表面膜减阻润滑条件下的非连续相柱流气力输送方法，实现软粘土远距离输送，在诸多工程中成功应用，解决了软粘物料无法远距离管道输送国际性难题。