CN117236055B - 一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法 - Google Patents

一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法，包括以下步骤：(1)获得浆体管道的布置情况，(2)获得浆体参数，(3)计算在单位长度水平管道中，浆体自然沉降一段时间后的沉降层厚度，(4)计算在一定敷设角的管道中，浆体自然沉降一段时间后形成堵塞的临界条件，(5)计算一定敷设角的浆体管道临界爬升高度。本发明科学地计算出浆体管道的堵塞临界条件，为优化浆体管道布置，为浆体管道输送安全性提供理论依据。

Description

一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法
技术领域
本发明涉及浆体管道输送技术领域，具体是一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法。
背景技术
为保证浆体管道输送系统安全稳定运行，降低事故时或紧急停车时管道堵塞的风险，需要首先从设计上减小堵塞事故发生的可能性。因此，关于浆体管道堵塞临界条件的计算是十分有必要的。
现有的浆体管道输送系统在设计时为避免堵塞事故发生，通常采用管道敷设角度小于浆体安息角的方式。而在实际的管道布置中，以上条件经常无法满足，导致不得不采用额外的措施进行补救。尤其在地形复杂的野外，事故发生时人员响应时间较长，这样既增加了工程投资，也增加了管道堵塞风险。
如果能较为精确地计算管道堵塞的临界条件，可以在浆体管道工程设计阶段减少或避免管道堵塞风险，明确易发生堵塞的管段，做到事故发生时快速响应，在保证浆体管道系统的安全运行的前提下，节省投资和减少人员投入。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法，克服现有技术的不足，科学地计算出浆体管道的堵塞临界条件，为优化浆体管道布置，为浆体管道输送安全性提供理论依据。
本发明提供的技术方案：一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法，包括如下步骤：
(1)获得浆体管道的布置情况，包括浆体管道敷设角度α，斜管段长度L，弯头的曲率半径R，管道外径D和壁厚t，管道内壁半径为
水平段长度视为无限长，以水平管道的中心起算，管道的爬升高度H为
H＝R·(1-cosα)+L·sinα
(2)获得管道输送浆体的参数，包括浆体的体积浓度Cv和安息角β，体积浓度为Cv的浆体，自然沉降一段时间T之后，观测得到的沉降层体积浓度Cv′和清液层体积浓度Cv″；
(3)计算体积浓度为Cv的浆体，在单位长度水平管道中，自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh；
(4)计算体积浓度为Cv的浆体，在外径D和壁厚t，敷设角度为α的管道中，自然沉降一段时间T后，形成堵塞段需要的斜管长度；
(5)计算一定敷设角的浆体管道临界爬升高度。
进一步的，所述步骤(3)中令沉降层对应的管道圆心角为2x(弧度制)，x∈[0,π/2]，则沉降层所占的管道内截面积S′为
在单位长度水平管道中有
S＝πr2为管道内截面积
得到与/>的交点(x0,f(x0))，则对上述浆体自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh，有
Δh＝r-r·cosx0
进一步的，所述步骤(4)中当敷设角度α＞安息角β时，浆体管道中的固体沉积沿管道滑动，在弯头处沉积，有以下两种情形：
a)情形一，敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角β+y0，
根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的斜管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝α·R
通过微积分计算堵塞段的固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2′时，管道有堵塞风险；
b)情形二，敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角β+y0，
根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝(β+y0)·R
通过微积分计算堵塞段固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2″时，管道有堵塞风险。
进一步的，所述步骤(5)中当敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角β+y0时，管道的临界爬升高度
H′＝R·(1-cosα)+L2′·sinα
当敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角β+y0时，管道的临界爬升高度
H″＝R·(1-cosα)+L2″·sinα。
进一步的，当敷设角度α≤安息角β时，浆体管道中的固体沉积不会沿管道滑动造成管道堵塞，管道无临界爬升高度。
本发明的有益效果：
(1)本发明量化了浆体管道堵塞的临界条件，建立了管道堵塞临界条件与浆体管道的布置情况、浆体参数的关系，可以为浆体管道的布置提供参考。
(2)根据本发明提出的管道堵塞的临界条件，可以在保证浆体管道系统的安全运行的前提下，节省投资和减少人员投入，做到事故发生时快速响应。
附图说明
图1为带斜管段的管道布置剖面图；
图2为浆体自然沉降一段时间后的管道截面图；
图3为敷设角小于安息角的管道布置剖面图；
图4为敷设角大于安息角的管道布置剖面图(情形一)；
图5为敷设角大于安息角的管道布置剖面图(情形二)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围本发明的一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法，包括如下步骤：
(1)获得浆体管道的布置情况，包括浆体管道敷设角度α，斜管段长度L，水平段长度视为无限长，管道的爬升高度H，弯头的曲率半径R，管道外径D和壁厚t，管道内壁半径为带斜管段的管道剖面图如附图1所示。
以水平管道的中心起算，管道的爬升高度H为
H＝R·(1-cosα)+L·sinα
(2)获得管道输送浆体的参数，包括浆体的体积浓度Cv，安息角β，以及沉降层体积浓度Cv′、清液层体积浓度Cv″。
沉降层体积浓度Cv′，在本专利中代指体积浓度为Cv的浆体，自然沉降一段时间T之后，观测得到的沉降层体积浓度。
清液层体积浓度Cv″，在本专利中代指体积浓度为Cv的浆体，自然沉降一段时间T之后，观测得到的清液层体积浓度。
对于一定体积V、体积浓度为Cv的浆体，自然沉降一段时间T之后，沉降层体积为V′，有
Cv·V＝Cv′·V′+Cv″·(V-V′)
(3)计算体积浓度为Cv的浆体，在上述的单位长度水平管道中，自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh。
令沉降层对应的管道圆心角为2x(弧度制)，x∈[0,π/2]，则沉降层所占的管道内截面积S′为
在单位长度水平管道中有
S＝πr2为管道内截面积
作图，得到与/>的交点(x0,f(x0))。则对上述浆体自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh，有
Δh＝r-r·cosx0
(4)计算体积浓度为Cv的浆体，在外径D和壁厚t，敷设角度为α的管道中，自然沉降一段时间T后，发生管道堵塞的临界条件。
a)当敷设角度α≤安息角β时，浆体管道中的固体沉积不会沿管道滑动造成管道堵塞，如附图2所示。
b)当敷设角度α＞安息角β时，浆体管道中的固体沉积会沿管道滑动，在弯头处沉积，有以下两种情形。
1)情形一，敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角
β+y0，管道堵塞形成时示意图如附图3所示，根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的斜管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝α·R
通过微积分计算堵塞段的固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2′时，管道有堵塞风险。
2)情形二，敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角
β+y0，管道堵塞形成时示意图如附图4所示，根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝(β+y0)·R
所以，通过微积分计算堵塞段的固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2″时，管道有堵塞风险。
(5)计算一定敷设角的管道临界爬升高度。
a)当敷设角度α≤安息角β时，管道无临界爬升高度；
b)当敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角β+y0时，管道有临界爬升高度
H′＝R·(1-cosα)+L2′·sinα
c)当敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角β+y0时，管道有临界爬升高度
H″＝R·(1-cosα)+L2″·sinα。
实施例
已知某浆体管道输送系统采用的管道外径D为323.8mm，壁厚t为14.27mm，弯头的曲率半径R为1943mm，管道敷设角度α为5°、15°、30°、45°、60°不等。管道输送浆体的体积浓度为27％，安息角为7°，通过沉降实验，该浆体自然沉降30分钟后，沉降层体积浓度Cv′为50％、清液层体积浓度Cv″为18.1％。计算管道堵塞的临界条件。
(1)对于上述的单位长度水平管道，
管道内截面积S′为68470mm2，
自然沉降30分钟后的沉降层厚度Δh为95.4mm，
(2)对于敷设角度为α的管道，
a)管道敷设角度α为5°时，浆体管道中的固体沉积不会沿管道滑动造成管道堵塞；
b)管道敷设角度α为15°、30°、45°、60°时，管道堵塞临界条件计算结果见下表：
在敷设角度α为15°、30°、45°、60°的上述浆体管道中，当沉降时间达到30分钟，管道的爬升高度分别超过1667mm、2084mm、2706mm、3148mm时，管道有堵塞风险。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种浆体管道的堵塞临界条件计算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)获得浆体管道的布置情况，包括浆体管道敷设角度α，斜管段长度L，弯头的曲率半径R，管道外径D和壁厚t，管道内壁半径为
水平段长度视为无限长，以水平管道的中心起算，管道的爬升高度H为
H＝R·(1-cosα)+L·sinα
(2)获得管道输送浆体的参数，包括浆体的体积浓度Cv和安息角β，体积浓度为Cv的浆体，自然沉降一段时间T之后，观测得到的沉降层体积浓度Cv′和清液层体积浓度Cv″；
(3)计算体积浓度为Cv的浆体，在单位长度水平管道中，自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh；
(4)计算体积浓度为Cv的浆体，在外径D和壁厚t，敷设角度为α的管道中，自然沉降一段时间T后，形成堵塞段需要的斜管长度；
(5)计算一定敷设角的浆体管道临界爬升高度；
所述步骤(3)中令沉降层对应的管道圆心角为2x，x∈[0,π/2]，则沉降层所占的管道内截面积S′为
在单位长度水平管道中有
S＝πr2为管道内截面积
作图得到与/>的交点(x0,f(x0))，则对上述浆体自然沉降一段时间T后的沉降层厚度Δh，有
Δh＝r-r·cosx0；
所述步骤(4)中当敷设角度α＞安息角β时，浆体管道中的固体沉积沿管道滑动，在弯头处沉积，有以下两种情形：
a)情形一，敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角
根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的斜管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝α·R
通过微积分计算堵塞段的固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2′时，管道有堵塞风险；
b)情形二，敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角
根据几何关系，堵塞的直管段长度为
堵塞的弯头长度为
L3＝(β+y0)·R
通过微积分计算堵塞段固体体积为
得到
形成堵塞段需要的浆体体积为
则形成堵塞段需要的斜管长度为
因此，在上述情况下，当斜管长度大于L2″时，管道有堵塞风险。
2.根据权利要求1所述的浆体管道的堵塞临界条件计算方法，其特征在于，
所述步骤(5)中当敷设角度α＞安息角β，但敷设角度α＜安息角β+y0时，管道的临界爬升高度
H′＝R·(1-cosα)+L2′·sinα
当敷设角度α＞安息角β，且敷设角度α≥安息角β+y0时，管道的临界爬升高度
H″＝R·(1-cosα)+L2″·sinα。
3.根据权利要求1所述的浆体管道的堵塞临界条件计算方法，其特征在于，当敷设角度α≤安息角β时，浆体管道中的固体沉积不会沿管道滑动造成管道堵塞，管道无临界爬升高度。
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