基于Hammer软件对尾矿输送管线进行水锤分析

付新民, 封志强, 郝艳霞

(1.中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038; 2.北京环都环保科技有限公司, 北京 100094)

1 前言

在管道中，由于某种外界原因(如阀门突然关闭或开启，水泵机组突然停车等)，使水的流速突然发生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种现象称为水锤。由水锤产生的瞬时压强远远超过管道的正常工作压强，具有极大的破坏性[1-2]。

针对连续流体(如水、油)等的水锤研究已非常成熟，但是对于矿山系统，如选矿、尾矿等矿浆管道输送的水锤研究目前依然很少。但是，随着矿山系统的设备越来越大型化、精细化，矿山系统规模越来越大，一旦发生水锤事故，就将对系统关键设备、阀门产生潜在的破坏作用，轻则影响生产，重则破坏大型设备，甚至发生人身伤亡事故，并造成重大经济损失。

有鉴于此，本文结合现有水锤模拟技术，有针对性地研究适用于矿山系统的水锤分析方法。

2 模型的建立及计算

2.1 工程问题分析及基本特性参数求解

在常规工程项目中，计算模型往往相对较简单，但在尾矿工程中，管道的材质往往是复合管材，工艺介质通常是矿浆(混合物)，这就对尾矿管线的水力计算造成了较大的难度，如何较为准确地确定这些参数是进行工程计算的关键，本文将给出这些参数的较为详细的计算过程。

某项目尾矿输送管线全长2.7km，尾矿输送采用五台泵串联的方式进行。各台尾矿泵规格均相同，每台离心泵参数见表1。

表1 泵的参数

1)管道材料的物理性质

尾矿输送管线材质为钢衬HDPE管道(复合管道)，为计算管材的弹性模量和泊松比，需要管道的几何尺寸及相应钢管和HDPE管道的弹性模量和泊松比，管道参数见表2。

表2 管道的几何尺寸及部分物理性质

根据复合材料力学性能的复合规律[3]，复合材料、基体和纤维的弹性模量和泊松比分别为E、ε、Em、εm、Ef、εf。

它们之间的关系为

E=EfVf+EmVm

(1)

ε=εfVf+εmVm

(2)

其中，Vf，Vm分别为各材料占复合材料体积的百分比。

通过上述方法 ，计算得钢衬HDPE管道弹性模量与泊松比分别为

E=95 603MPa，ε=0.34。

2)管内介质(尾矿矿浆)的物理性质

管道的输送介质为尾矿矿浆，矿浆的物理性质见表3。

(1)两相流的弹性模量[4]计算公式为

(3)

式中：Em——矿浆的弹性模量；

Ew——水的弹性模量，其值为2 100MPa；

CV——矿浆的体积浓度。

最终可得矿浆的体积弹性模量Em=2 838MPa。

表3 尾矿矿浆的物理性质

(2) 管道中矿浆的波速的计算公式为

(4)

式中：ρm——浆体密度；

D——管道内径与外径的平均直径；

δ——管道壁厚。

计算得矿浆在钢衬HDPE管道中的波速am=1 075.8m/s。

(3) 矿浆的动力粘度经实验给出的公式为

KBP=μW+0.9C8.9

(5)

式中：μW——水在25 ℃时的动力粘度，其值为0.000 894Pa·s；

C——尾矿矿浆的质量浓度。

得出矿浆在25℃下的动力粘度为KBP=0.005 294Pa·s，

从而，该矿浆在25℃下的运动粘度为ν=KBP/ρm=3.248×10-6m2/s。

2.2 建立计算模型

针对本项目中遇到的水锤问题，使用Bentley公司开发的专业水锤计算软件Bentley Hammer进行计算。软件计算原理采用目前国际上较精确的特征线法对水锤进行模拟计算[5-6]。

1)计算模型

根据项目资料建立的水锤计算模型如图1所示。从泵站到尾矿库管线全长2.7km，高程不断升高，最终到达尾矿库坝顶标高为983m，管线全长根据设计要求设置详细的各设备及阀门模型，并给定工艺参数。

图1 尾矿管线走势及高程模型图

2)管网平差

设置好计算模型之后，首先需要在初步分配流量的基础上，反复进行迭代计算，直到同时满足连续性方程和能量方程，即进行管网平差计算，其结果如图2所示。

图2 管网平差计算结果

3 计算结果以及结果分析

3.1 停泵水锤

模拟泵在正常工作状态下，全厂突然掉电的水锤模拟，其计算结果如图3。

图3 停泵水锤水压高程线

通过图3的结果发现，管道中存在大概20m水柱的正水锤压力，但是值不大，水锤正压力尚在可接受的设计范围内。在输水系统中也有类似工况[7]，即在通常情况下，泵突然掉电，由于泵的惯性存在，往往水锤造成的管网冲击不会对管道造成重大破坏性影响。

3.2 关阀水锤

阀门初始资料为管路截断阀在0～30s内关75%，在30～70s内关至100%，现在对该阀门在上述关闭特性时的关阀水锤进行计算。其计算结果如图4、图5所示。

图4 70s完全关闭阀门的水压高程线

从图4及图5可以看出，70s关阀特性的水锤压力非常大，管网压力最高可以超出正常压力100m水柱，从管壁压力上看，管网最高压力达到4.5MPa，而该管线的设计压力为4.0MPa，一旦发生关阀水锤，将不能保证管道的安全可靠运行。此处考虑是关阀过快导致，现在将阀门关闭特性调整为0～60s关闭75%，60～180s关至100%，调整后的关阀水锤管壁压力如图6所示。

图6 180s完全关闭阀门的管壁压力线

从图6可以看出，水锤压力较70s完全关闭的阀门压力有明显的下降，最高水锤压力在设计压力范围内。而从图5和图6看出，管道内的最小压力均为-10m水柱，基本为真空状态，如果管道刚度较小，极易失稳，需寻求进一步的解决方案。

3.3 解决方案

从上述计算可见，尾矿管道发生水锤时，管道中存在循环负压，而且尾矿矿浆密度比水大(但饱和蒸汽压与水相同)，在泵送的过程中动量较大，一旦发生停泵或关阀等特殊工况时，管线中的矿浆比水更容易形成较大的负压从而使管道压力低于水的饱和蒸汽压而发生气化现象，从而“拉断”水柱，形成气穴，气穴不断破灭，在管道中产生强烈脉动压力[8]，持续较大的管道负压易造成管道的外压失稳，对装置稳定运行极为不利。现在拟在泵站附近设置空气罐，以改善管道中存在的负压。增加空气罐后压力线如图7所示。

图7 增加空气罐后管壁压力线

从图7可以看出，增加空气罐后管道中的正水锤完全消失，最小水锤压力(最小管壁压力)基本为正压，负水锤基本消失。由此可见，增加空气罐可以显著降低水锤带来的管道压力波动，对生产操作的安全性可以提供更明显的安全保障。

3.4 配置方案

经过上述分析，项目初始给出的阀门关闭特性不满足水锤消除要求，现在予以更改为0～60s阀门关闭75%，60～180s阀门关至100%，阀门关闭与时间呈线性关系，且最终确定水锤消除方案如图8所示。

图8 最终配置方案

4 结论

(1) 泵突然停电之后，由于泵送流体的速度变化，将在管道内产生水锤冲击，但由于泵和电机的惯性存在，泵和电机会慢慢停转，这可以大大降低水锤对管道的危害。

(2) 主管线上的起切断作用的阀门过快关闭会造成管道内压力波动剧烈，如果阀门过快关闭，无论是管道正压，还是管道负压，都将较大地超出管道的设计范围，对装置的安全可靠运行极为不利，不论是否考虑增加空气罐等外加设备，均应在设计时把由于阀门关闭造成的水锤效应控制在管道能承受的合理范围内。

(3) 在极端工况下(如阀门快速关闭或者突然停泵等)，管道内会产生真空脉动压力，这对刚度较大的管道影响不大，但是对于本文中涉及的钢衬HDPE管道，由于钢与HDPE的结合面强度较差，且HDPE的抗失稳能力较差，在真空状态下，钢衬HDPE管线易在真空下发生内部HDPE管道的失稳变形，从而使HDPE管材与钢材剥离，造成管道无法正常输送介质。故对于易发生失稳变形的材料，要高度重视管道内部负压的控制。

(4) 增加空气罐可以显著降低管道内由于水锤效应产生的较大正压及负压。与其他设备相比，空气罐具有不易堵塞，易维护，造价低等优点。例如，在水系统广泛应用的空气阀[9-11]，如果应用于矿浆管道，则由于孔径较小，则会经常发生堵塞，而尾矿管线少则几千米，多则几十千米，如果堵塞，极难发现与维护，故不适用于矿浆介质；而调压塔效果很好，但是其造价昂贵，适用于长距离大孔径的管道输送，在矿山项目中通常也不适用。故合理利用空气罐，可以有效提高装置抗水锤冲击的能力，提高装置的安全可靠性。