CN112730150A - 一种管道泥浆密度的测量模型和测量应用方法 - Google Patents

Abstract

一种测量管道泥浆密度的模型，其特征在于，其数学物理原理为：垂直管段管道泥浆压差等于泥浆自重、沿程摩阻损失和局部扰动损失之和；其中泥浆自重G_m、沿程摩阻损失I_m和局部摩阻损失Δ_m这三项均为泥浆密度的函数，通过对该三项的求解以及压差的测量，可以建立管道泥浆密度的计算模型公式。

Description

一种管道泥浆密度的测量模型和测量应用方法

技术领域

本发明涉及疏浚与吹填工程泥浆密度的测量模型和测量应用方法。

背景技术

疏浚作业在码头建设、航道维护、海洋开发、水环境治理等方面有着重要的作用。管道输送是疏浚吹填的一个关键、核心手段，而管道泥浆密度又是管道输送的一个核心参数，对管道泥浆密度进行快速、准确的测量是一项十分重要的工作，同时需要考虑测量方法的可实施性与便捷性。目前常用的管道泥浆密度测量方法有光电法、超声波法、放射线法和压差法。光电法的测量原理是使用光源强度不变的光源，照射被检测混合物，然后检测透过介质之后的透射光的强度，根据密度和光源通过介质的损耗来确定混合物的浓度。受光强、距离、泥浆密度等方面的限制，该方法无法适用于直径太大的管道测量或密度太高的测量过程。超声波法的测量原理为通过超声波在泥浆中的衰减程度来测量泥浆密度。不同种类的泥浆对超声波的衰减程度不同，所以对不同种类的泥浆进行密度测量时，需选择特定的传感器频率和间距，也即是针对特定的工况，超声波密度计使用前需先标定。放射线法的基本原理与光电法相近，即利用测量射线穿透介质的衰减程度来求得混合物的浓度。放射线法精度较高，而且不受管径的限制，但由于放射物质的衰减的影响，该浓度计一般需定期标定。同时，由于放射线物质的核辐射，致使其使用存在环境、职业健康、安装运输、政府监管、维修维护等方面的不便。传统压差浓度计采用压差原理对泥浆密度进行测量，即ΔP＝ρgh，其特点在于简单实用，经济方便。但为了避免扰动的干扰，其必须安装在流动稳定的管段，这就要求被测管段有很大的垂直空间，应用受空间限制；另一方面忽略摩阻损失也影响了其测量精度。

发明内容

本发明提出了一种新的压差法测量管道泥浆密度；安全可靠，垂向空间要求较传统压差浓度计低。

本发明的技术方案为：

技术方案一

一种测量管道泥浆密度的模型，其特征在于，其数学物理原理为：垂直管段管道泥浆压差等于泥浆自重、沿程摩阻损失和局部扰动损失之和；其中泥浆自重G_m、沿程摩阻损失I_m和局部摩阻损失Δ_m这三项均为泥浆密度的函数，通过对该三项的求解以及压差的测量，可以建立管道泥浆密度的计算模型公式，该模型公式的求解步骤如下：

步骤一：确立基本原理公式：

其中ΔP为垂直管段压差计测量段压差，可由压差计测得，G_m为泥浆自重，I_m为泥浆沿程摩阻损失，Δ_m为泥浆局部摩阻损失，g为重力加速度。

步骤二：泥浆自重G_m的测量求解

G_m＝ρ_m×l_V (2)

其中：ρ_m为泥浆密度，g为重力加速度，l_V为垂直管段压差计的安装距离，l_V可直接测得。

步骤三沿程摩阻损失I_m的测量求解

根据大量试验数据统计结果，推断泥浆密度对沿程摩阻系数无影响，本模型中泥浆沿程摩阻损失计算如下：

其中λ为沿程摩阻系数，可由下式计算求得

其中ρ_m为泥浆密度，ε为管壁当量粗糙度，可由水平管段清水率定求得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；l_L为水平管段压差计的安装距离,可直接测得；d为管道内径，可直接测得。υ为水的动力粘滞系数，由温度确定，可查水的动力粘滞系数表得到。

步骤四局部摩阻损失Δ_m的测量求解

根据大量试验数据统计结果，推断泥浆密度对沿程摩阻系数无影响，本模型中泥浆沿程摩阻损失计算如下：

其中ρ_m为泥浆密度，ξ为沿程摩阻损失系数，可由垂直管段清水率定求得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；d为管道内径，可直接测得。

步骤五泥浆密度测量计算模型公式确立

基于原理公式，通过步骤二三四的求解，可以得到本发明最终的泥浆密度测量计算模型公式如下：

其中ρ_m为泥浆密度，其中ΔP为垂直管段压差计测量段压差，可由压差计测得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；l_V为垂直管段压差计的安装距离，l_L为水平管段压差计的安装距离,d为管道内径可直接测量得到；ε为管壁粗糙度，可由水平管段清水率定求得；ξ为沿程摩阻损失系数，可由垂直管段清水率定求得。

所述当量粗糙度采用水平管段清水率定(已知操作方法)，最小二乘法拟合的方法。

所述局部摩阻系数采用垂直管段清水率定(已知操作方法)，线性拟合的方法求得。

作为实施例建议而非限定：所述的垂直管段压差计，安装距离宜大于1.5m，安装位置距弯管5倍管径以上。所述的水平管段压差计，安装距离宜大于3.0m，安装位置距弯管10倍管径以上。所述流量计，其安装位置距离压差计10倍管径以上且距离弯管5倍管径以上。垂直管段与水平管段，管道材质与尺寸相同。

技术方案二

一种测量管道泥浆密度应用，其特征在于，垂直管段和水平管段上安装测量压差的压差计，水平管段上安装测量流速的流量计及测量温度的温度传感器，基于上述泥浆密度的模型进行计算，获得工程中管道泥浆的密度。本发明可用于疏浚与吹填工程中的绞吸式或耙吸式挖泥船以及采用管道输送泥浆的场合。使用维护简单方便，经济实用，环保安全，相较传统密度计，其适用性大大提高。

计算参数包含了压差、管径、压差计安装距离、流速、管壁当量粗糙度、局部摩阻系数及其计算模型所确立的特定组合关系。本发明的突出特点是采用了不受泥浆密度限制，标定简单，无放射源的压差型测量方法。使用维护简单方便，经济实用，环保安全。在管道输送泥浆密度检测中发挥重要作用，其安全、环保的特点也顺应了可持续发展的趋势。

附图说明

图1为本模型采用的压差型浓度测量装置的示意图。

图2为本模型验证的水平管段实物图。

图3为本模型验证的垂直管段实物图。

图4为本实施算例中测得的ΔP与v的关系曲线。

图5为本实施算例中

与v²的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明。

实施例1

(1)如附图1所示，垂直管段上距离弯管5，H1(5倍管径以上)的位置安装压差计1，压差计1的安装距离H2宜大于1.5m；水平管段上距离弯管5，H3(10倍管径以上)的位置安装压差计2，压差计2的安装距离H4宜大于3m；距离压差计1，10倍管径以上且距离弯管5，5倍管径以上的水平管段安装流量计3；为验证模型的可靠性，将该模型应用于疏浚技术装备国家工程研究中心古翠路试验基地管道试验平台测量泥浆密度，计算一算例并与取样值对比。水平管段实物图如附图2所示，水平管段压差计的安装距离l_L＝3m，管道内径d＝0.3m；垂直管段实物图如附图3所示，垂直管段压差计的安装距离为l_V＝2m，管道内径d＝0.3m。

(2)水平管道清水率定。设定20组不同流速下的清水输送工况，读取不同工况下的压差计2测得的压差ΔP、流量计3测得的流速v；读取温度传感器的4测得的温度T。水平管道清水输送的压差是由沿程摩阻损失引起的，压差与流量的关系式为：

画出ΔP与v的关系曲线，根据公式(7)，利用最小二乘法求出管壁当量粗糙度ε的值。

算例中测得的ΔP与v的关系曲线为(图4所示)：

清水密度1×10³kg/m³，测得温度T＝20°,查表得运动粘滞系数系数υ＝1×10^{- 6}kpa·s，重力加速度g取9.8m/s²。根据关系曲线，利用最小二乘法拟合可得本算例中管壁当量粗糙度ε＝0.025×10^-3m。

(3)垂直管道清水率定。设定20组不同流速下的清水输送工况，读取不同工况下的压差计1测得的压差ΔP、流量计3测得的流速v及温度传感器4测得的温度T。该压差等于垂直管段测量段清水自重，清水沿程摩阻损失和清水局部摩阻损失之和，即：

清水自重G_w可由方案中的步骤1求得。通过水平管道清水率定已求得管壁当量粗糙度ε的值，该段清水沿程摩阻损失I_w可由方案中的步骤二求得；即可通过公式(8)求得清水局部摩阻损失Δ_w，画出

与v²的关系曲线，根据公式(9)，采用线性拟合的方法求得局部摩阻损失系数ξ。

本算例中根据ΔP的测量值，G_w和I_w的求解，

与v²的关系曲线为(图5所示)：

通过线性拟合可以求得局部摩阻损失系数ξ＝0.38。

(4)管道输送泥浆时，读取压差计1测得的压差ΔP、流量计3测得的流速v及温度传感器4测得的温度T。根据已求得的管壁当量粗糙度ε和局部摩阻系数ξ，利用泥浆密度测量计算模型公式(6)，得到泥浆密度值。

本算例中已知l_V＝2m，l_L＝3m，d＝0.3m，测得温度T＝20°,查表得运动粘滞系数系数υ＝1×10^-6kpa·s，重力加速度g取9.8m/s²；已求得管壁当量粗糙度ε＝0.025×10^-3m，局部摩阻损失系数ξ＝0.38；测得压差26.4323KPa，测得流速5.37m/s，根据公式(6)求得该算例泥浆的密度ρ_m为1361kg/m³，相比于取样密度为1384kg/m³，两者误差为1.6％，该误差在本领域工程应用上可以接受范围内。

Claims (1)

1.一种测量管道泥浆密度的模型，其特征在于，建立管道泥浆密度的计算模型公式，该模型公式的求解步骤如下：

步骤一：确立基本原理公式：

其中ΔP为垂直管段压差计测量段压差，可由压差计测得，G_m为泥浆自重，I_m为泥浆沿程摩阻损失，Δ_m为泥浆局部摩阻损失，g为重力加速度；

步骤二：泥浆自重G_m的测量求解

G_m＝ρ_m×l_V (2)

其中：ρ_m为泥浆密度，g为重力加速度，l_V为垂直管段压差计的安装距离，l_V可直接测得；

步骤三沿程摩阻损失I_m的测量求解

根据大量试验数据统计结果，推断泥浆密度对沿程摩阻系数无影响，本模型中泥浆沿程摩阻损失计算如下：

其中λ为沿程摩阻系数，可由下式计算求得

其中ρ_m为泥浆密度，ε为管壁当量粗糙度，可由水平管段清水率定求得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；l_L为水平管段压差计的安装距离,可直接测得；d为管道内径，可直接测得；υ为水的动力粘滞系数，可查水的动力粘滞系数表得到；

步骤四局部摩阻损失Δ_m的测量求解

泥浆沿程摩阻损失计算如下：

其中ρ_m为泥浆密度，ξ为沿程摩阻损失系数，可由垂直管段清水率定求得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；d为管道内径，可直接测得；

步骤五泥浆密度测量计算模型公式确立

泥浆密度测量计算模型公式如下：

其中ρ_m为泥浆密度，其中ΔP为垂直管段压差计测量段压差，可由压差计测得；v为泥浆流速，可由流量计直接测得；l_V为垂直管段压差计的安装距离，l_L为水平管段压差计的安装距离,d为管道内径可直接测量得到；ε为管壁粗糙度，可由水平管段清水率定求得；ξ为沿程摩阻损失系数，可由垂直管段清水率定求得。

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