掺粗骨料高浓度充填自流输送平直管道磨损规律

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充填管道磨损危害严重,平直管道占总管长的比例最大,其远期维护更换工作繁重。论文以某铅锌矿在高浓度全尾砂料浆中掺粗骨料调节采充平衡为研究背景,以16Mn钢为管道材料,以平直充填管道磨损规律为研究对象,以延长管道寿命为研究目标,主要研究成果如下:(1)分析了充填管道三种基本磨损形式的特点。构建了粗骨料与管壁接触应力模型,粗骨料的粒径、密度和速度越大管道磨损越严重。正常充填时管道磨蚀机制为疲劳磨损,洗管时管道冲蚀机制为切削和疲劳磨损。接触时间和粗骨料参数相同时,洗管冲蚀比正常充填磨蚀更严重。洗管水和非胶结料浆对管道腐蚀速率为3265.1 mg/m2d,砂灰比从4增加到12时管道腐蚀速率从91.7 mg/m2d以二次函数增加到548.2 mg/m2d。腐蚀产物硬度小于管道本身,与充填料浆冲刷作用协同会加快管道磨损。(2)基于改进的罐式磨损实验机探明了高浓度充填参数对管道磨损影响规律。磨损速率随料浆浓度增加呈指数函数增长,随料浆层流流速(<3 m/s)增加呈幂律函数增长,随粗骨料粒径增加呈对数函数增长,随粗骨料含量增加先缓慢降低后突增。料浆浓度不变条件下适量粗骨料(掺量≤25%)有利于管道减磨和减阻。纯腐蚀在总磨损中占比小于0.5%,协同磨损占比为3.6%~59.4%。构建了磨损速率多因素回归模型(平均误差3.8%),浓度的幂律指数大于6,流速的幂律指数小于1.2,与中低浓度紊流浆体中得到的结果显著不同。管道沿程阻力越大磨损越严重,两者强相关。(3)提出了充填管道磨损速率预测方法和模型。构建了磨损试样壁面剪切应力模型,磨损速率随壁面剪切应力增大呈幂律函数增长。修正了Buckingham管道沿程阻力公式(平均误差11%),可用于求解充填管道内壁剪切应力。管道总磨损与管内流体压强弱相关,可近似根据大气压强条件下的磨损实验预测高压充填管道磨损。充填管道总磨损速率由正常充填磨损、洗管磨损和洗管水腐蚀3部分组成,第1部分根据罐式磨损实验和管壁剪切应力精确计算,第2部分根据洗管和正常充填流速估算,第3部分根据浸泡腐蚀实验精确计算。(4)采用CFD-DEM模拟揭示了粗骨料对管道的磨损机制。全尾砂料浆对粗骨料的承载能力充足时固-液两相体系在管道内呈柱塞流,全尾砂料浆承载能力不足时粗骨料在管道底部呈滑动床。柱塞流时粗骨料向管道中心集中,大直径粗骨料比小直径粗骨料更靠近管道中心,管道四周磨损较均匀。滑动床时大直径粗骨料更靠近管道底部,管道底部的磨损比柱塞流时更严重且与顶部和两侧磨损程度差异显著。粗骨料在管壁附近的运动轨迹类似正弦曲线,与管壁接触时做滑滚运动,对管壁的磨损作用以小角度切向刮擦为主。(5)提出了以充填参数优化和四步骤翻管技术为核心的充填管道磨损防控措施,管道磨损预测模型的可靠性较高。充填流量提高到100 m3/h,充填效率提高的同时管道未过度磨损;粗骨料最大粒径为10 mm。全尾砂料浆浓度76%,掺粗骨料(掺量≤20%)时浓度78%可同时满足充填体强度、采充平衡、自流输送和管道磨损低的要求。提出同时考虑管道磨损速率和承压能力的四步骤翻管技术,水平直管报废前可输送总方量至少增加15×104 m3。水平直管总磨损速率预测模型的平均误差为12.2%。
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