CN101270848B - 注气式泥浆管道输送方法及装置 - Google Patents

Abstract

注气式泥浆管道输送方法，涉及一种向泥沙流体注入气体而减少泥浆输送阻力和泥沙沉积、提高泥沙输送效率的新方法。该输送方法包含：制备含有注气通道的输送管道；按传统管道连接方法连接注气式输送管道；将供气装置与注气通道连接；泥浆输送过程中，不断向泥沙流体注入气体；调节供气压力直至泥沙输送效率最佳；泥沙输送结束之后，继续向输送管道中注气，直到管道清洗完成为止。本发明技术实施简单，泥沙输送成本低。该技术不仅可以减少粗颗粒泥沙在输送管道中的沉积、提高泥沙的输送效率，对于泥沙级配较宽、粒径较粗的工况，仍然可以达到较好的输送效果，而且可以提高输送距离和泥浆浓度，可减少疏浚吹填土的后处理脱水工作量，减少环境污染。

Description

注气式泥浆管道输送方法及装置

技术领域

本发明涉及一种泥浆管道输送技术，特别涉及一种用于减少泥浆输送阻力和粗颗粒泥沙沉积的注气装置和方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

崩岸、滑坡和携带大量泥沙的洪水往往使得水库和湖泊的库容日渐减少，河道淤积而抬高河床、影响防洪、造成水灾、恶化航运条件，因此，急需高效的泥沙输送技术，将疏浚泥沙输送至合适的地点，并尽可能一次输送到位，防止水源和环境二次污染。同时，由于沿海、沿江城市经济和基础建设的蓬勃发展，以及进一步的城市发展规划，港口、机场、道路等工程建设规模日益扩大，陆域用地越来越不能满足需要，将疏浚出来的淤泥用来填海造陆或构造码头港口的陆域，这已经成为土地开发的重要手段。比如天津港东疆港区建设中，3年造陆33平方公里；浦东开发开放10年里，已造就陆地11平方公里，在新增的11平方公里使用土地上，已造起了机场、码头、高楼等重要设施。

然而，生产中广泛运用的泥沙输送技术仍然面临着较大的困难：(1)输送距离较远，如黄河下游两岸堤距较宽，取土区一般在5～8km以外；(2)对输入泥浆所含泥沙要求苛刻，有的泥沙级配较宽，粒径较粗的泥沙难以长距离输送，容易沉积下来、堵塞管道；(3)泥浆浓度难以提高，而工程中急需提高泥浆浓度，以加快工程进度、减少吹填土体的脱水工作量及其对周围水环境的污染，但与之矛盾的是，泥浆密度大了则泥浆输送阻力大、容易堵塞管道。因此，如何解决较长距离的高浓度泥浆管道输送中的泥浆输送阻力、泥沙沉积问题，一直是工程中的关键问题之一。

在较长距离的高浓度泥浆管道输送中，泥浆输送阻力与泥沙沉积息息相关。在泥沙输送管道起始段的泥沙不会沉积，是由于较大的管内水流紊动性和起始段较大的推送压力。但是，随着输送距离的加大，管中水流趋于平稳、紊动性降低，水流中粒径较粗的泥沙必将落淤管底，而且管内流体受到的推送压力也逐渐减少，落淤的泥沙有可能得不到及时清除，使得管内流体的输送阻力进一步加大，甚至造成管道堵塞。要解决这些问题，有两方面的办法，一方面是从高压泥浆泵入手，如采用集浆增压罐提高输送压力，另一个方面是从泥浆着手，如控制泥浆均匀性、浓度和物料粒径，目的是减少泥浆中的泥沙沉积，降低管内流体与管壁的摩擦。目前生产中的解决办法主要是前者，提高泥浆泵输送压力，但这种改进很难在短时间内完成。为此，本发明采用从管道底部向管中流体注入气体，气体首先触及的是底部高浓度的泥沙，可以将已经落淤或者即将落淤的泥沙重新悬起来，并使得管中流体紊动性加大，达到泥沙的较长距离输送，避免大量泥沙沉积、堵塞管道。

发明内容

针对急需解决的长距离高浓度泥浆管道输送中的泥沙沉积、容易堵塞管道的难题，本发明在传统的泥浆管道输送方法基础上，增设一种用于向管内流体注入气体的装置，提供一种能够减少泥浆长距离输送阻力和泥沙在输送过程中的沉积，提高泥沙输送效率的新方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现：

注气式泥浆管道输送方法，是通过向泥沙流体沿程不断注入气体来实现的：气体注入泥沙流体，将底部泥浆中的高浓度、粗颗粒泥沙悬起，并在管道顶部形成不连续的气泡，随着输送距离加大，气泡长度和厚度均不断增加。

本发明所述的注气式泥浆管道输送方法，其中：注气为单向的，泥沙流体中的水或者沙不会进入注气通道；当气压大于管内流体压力时，气腔内的气体从注气孔注入流体，而气压小于管内流体压力时，注气孔关闭；注气速率大小由压力差决定，可调节供气压力直至泥沙输送效率最佳。

本发明所述的注气装置：在泥浆管道底部增设注气通道，由供气腔、隔板、注气孔和单向注气嘴组成，单向注气嘴安放在注气孔中，隔板上钻孔形成注气孔，隔板将泥沙流体与气体隔开，管道中隔板以上部分为泥沙流体，以下形成供气腔。隔板其宽度为管道直径的0.75～0.85倍，相应供气腔截面积占输送管道截面积的9～18％。注气孔垂直于管道轴线成行分布，行距1～6m，每行分布7～15个注气孔。

与传统的泥浆管道输送方法相比，本发明具有以下优点：

1).本发明能够显著降低泥浆输送阻力和减少泥沙沉积，泥沙输送效率得到明显提高。本发明采用注气方式，将从五个方面提高泥沙输送效率：(1)从管道底部注入的气流直接冲击底部即将落淤的高浓度粗颗粒泥沙，使其再次悬起、向前推进，减少泥沙沉积；(2)在气流作用下，管内水流受到很大程度的干扰，紊动强度增强，使得水流的挟沙能力提高；(3)由于粗颗粒泥沙能够较好地悬于管内流体中，管流中的壁面粗糙度得到了控制，则泥浆输送的阻力可大大降低；(4)注入的气体会在管道顶部形成不连续的气泡，减少了管内流体与管壁的接触面积，可使得泥沙输送的阻力沿程降低；(5)由于气体源源不断地注入管道，使得管内流体体积增加，从而使得管内流体的流速沿程增加，减少了粗颗粒泥沙沉积的可能性，进一步提高了输沙有效性。

2).本发明扩大了疏浚泥沙的适用范围。注气方式大大增强了管内水流的输沙能力，对于粒径较粗的泥沙，仍然可以达到较好的输送效果，同时也可以适用于浓度更高的泥浆输送，从而扩大了疏浚泥沙的工程适用范围。

3).本发明实施容易、造价低。本发明主要的装置是通过增设注气通道，将传统的泥沙输送管道改变为注气式泥沙输送管道，并在泥沙输送中利用注气通道向管内流体注入气体，操作简便。在泥沙输送过程中，只需要注入廉价的空气，成本低，而且泥浆浓度较大，这不仅可以降低泥沙输送成本，而且吹填土的后处理脱水工作量小，对周围水环境的污染减少。

附图说明

图1注气式泥浆管道输送方法的操作原理图。

图2注气式泥沙管道截面图。

图3隔板中的注气通道布置与加强肋板安设位置示意图。

图4单向注气嘴工作原理示意图。

具体实施方式

本发明的注气式泥浆管道输送装置由两部分组成，即注气装置和传统的泥浆管道输送装置，其关键是需要进行输送管道的改装。如图1～3所示，其中有：1.泥沙输送管；2.泥沙流体；3.供气腔；4.隔板；5.注气孔；6.加强肋板；7.单向注气嘴。

图1示意了注气式泥浆管道输送方法的操作原理。对于传统的泥浆管道输送方法来说，距离泥浆泵越远的地方，则其水流状况将逐渐趋于平稳、紊动强度也逐渐降低，粒径相对较粗的泥沙则逐渐下降到底部流体，呈近似推移质状态运动，甚至暂时沉积下来，时而向前作小幅移动。管内流体底部的粗颗粒泥沙浓度越高，则流体与管壁的摩擦越大，流体受到的阻力越大，反过来又将减低管内泥沙流体的推送速度。随着泥沙沉积厚度的加大，管内流体受到越来越大的沿程摩擦阻力，水头损失加大，输沙效果大幅降低，甚至造成堵塞管道的现象。为此，本发明将传统的泥沙输送管道改装成为含有注气通道的新型泥沙输送管道，以实现在泥沙的输送过程中，不断向管内流体注入气体。当气体注入管内流体中时，首先接触的是底部流体中的高浓度粗颗粒泥沙，这些泥沙可能正处于落淤状态或者已经沉积，那么由于受到底部注入气体的上托力作用，这些泥沙会重新被悬起来，进入管流靠近中轴线的高流速区，随着高流速水流快速前进，所以本发明可以促进泥沙的快速管道输送。正是这些粗颗粒泥沙在气流作用下被冲入了管流的快速流动区域，泥沙流体底部的泥沙浓度降低，管道壁面的粗糙度得到了有效控制，使得流体受到的摩擦阻力大大降低。同时，由于气体以一定压力注入，必将扰动本来较为平稳的管流，使得管流紊动强度明显加大，这进一步提高了管流卷吸底部沉积泥沙的能力，增强了水流的挟沙能力，减少了粗颗粒泥沙的沉积。当然，注入的气体会在管内形成一个个不连续的气泡，这将进一步加大流体的体积，所以，在管道面积不变的情况下，泥沙流体的流速将随着与泥浆泵距离的加大而逐渐增加，这更有利于管道的高效输沙。而且，沿程不断注入气体，气体进入泥沙流体后，会上浮到管顶，形成一个个不连续的气泡，随着距离的增加气泡也越来越大，这可明显减小泥沙流体与管壁的接触面积，从而降低了泥浆输送阻力。

注气压力的大小关系着泥浆输送的效率。气腔内的压力大于注气孔地点的泥浆压力时，气体将可以通过单向注气嘴注入泥沙流体，而且压力差越大，则气体注入速率越快。由于管内的泥沙流体随着距离的增加，其压力不断减小，所以，气体的注入速率沿程不断增大，这对泥浆的有效输送非常有利。当注入的气体体积从一个较小数值逐渐增加，则随着体积增加输沙效率逐渐提高，但过大的气体体积会占用过多的管道容积，反而会降低输沙效率，同时也增加了注气工作量。因此，注气压力不是越大越好，需要根据泥浆输送压力、泥沙粒径级配、单向注气嘴的橡胶弹性性能、管道布置等条件，在现场试验确定。

图2为注气式泥沙管道的典型截面，注气孔5的方向为向上方管壁倾斜，以使气流在整个管内均匀注入。图3示意了注气孔5的平面布置和加强肋板6的安设位置。由图可见，在传统的圆形泥沙输送管道底部增设了一块隔板4，隔板宽度为管道直径的0.75～0.85倍，相应供气腔截面积占输送管道截面积的9～18％，在隔板上钻有若干注气孔5。隔板4可采用焊接方式固定在管道1内壁上，并在中部以一定间距布置加强肋板6，加强肋板6可采用焊接方式与隔板4、管道1底部连接，起着固定隔板4的作用。供气腔3的供气和压力控制由供气装置提供。

图4示意了单向注气嘴7的工作原理。当气腔内气压大于管内流体压力时，气腔内的气体从注气嘴注入流体，而气压小于管内流体压力时，注气嘴关闭。单向注气嘴可采用橡胶材料，可用胶水粘结固定在注气孔内。注气孔垂直于管道轴线成行分布，行距1-6m，每行分布7～15个注气孔。

本发明的具体实施步骤如下：

1)注气式输送管道制备；

2)按传统的泥沙输送管道连接方法进行注气式输送管道的连接，并将供气装置与注气通道连接，并检查注气通道的密封性；

3)进行泥沙输送之前，开动泥浆输送装置先输送清水，再开动供气装置先进行低压注气，逐步提高注气压力，直到输水能力达到最佳状态，然后进行泥浆输送；

4)泥沙输送过程中，可调节供气压力直至泥沙输送效率最佳；

5)泥沙输送结束之后，继续向输送管道中注气，直到以清水清洗输送管道完成为止。

Claims (5)

1.一种泥浆管道输送方法，其特征在于：从输送管道底部向管内流体沿程连续注入气体，以减少泥沙沉积、提高泥沙输送效率，

其包含以下步骤：

1)制备注气式输送管道；

2)按传统的泥沙输送管道连接方法进行注气式输送管道的连接，并将供气装置与注气通道连接，并检查注气通道的密封性；

3)进行泥沙输送之前，先开动泥浆输送装置输送清水，再开动供气装置进行低压注气，逐步提高注气压力，直到输水能力达到最佳状态，然后进行泥浆输送；

4)泥沙输送过程中，调节供气压力直至泥沙输送效率最佳；

5)泥沙输送结束之后，继续向输送管道中注气，直到以清水清洗输送管道完成为止。

2.实现权利要求1所述方法的注气装置，其特征是：包括注气通道和供气装置，其中注气通道设置在输送管道的底部，包括供气腔、隔板、注气孔和单向注气嘴，供气装置向气腔内供气；

供气腔是由隔板和管道底部形成封闭的腔，并通过注气孔内的单向注气嘴向管内泥沙流体注入气体。

3.如权利要求2所述的注气装置，其特征是隔板宽度为管道直径的0.75～0.85倍，相应供气腔截面积占输送管道截面积的9％～18％。

4.如权利要求2所述的注气装置，其特征是：隔板上设置有若干注气孔，当气压大于管内流体压力时，气腔内的气体从注气孔注入流体，而气压小于管内流体压力时，注气孔关闭。

5.如权利要求2所述的注气装置，其特征是：注气孔垂直于管道轴线成行分布，行距1-6m，每行分布7～15个注气孔。

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