瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术_董荔苇
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目前，为了解决上述问题，提出了在易产生加速 流地段的管段上加设旁通管的技术方案，旁通管和 主管线均安装阀门，在主管线产生加速流时，关闭主 管线上的阀门，打开旁通管上的阀，通过旁通管上的 消能装置来消除加速流［2-3］。但需要清管扫线时，主 管线能清管扫线，旁通管不能随主管线一起完成清 管扫线，而且必须监测什么时候产生加速流，操作复 杂。
Abstract The slurry pipeline in PNG Ramu Nico red soil ore project generated accelerated flow in the section of K44 + 300 to K45 + 400 on the test running stage when it completed，and it caused a displacement on vertical and horizontal direction of the pipeline on the section of K43 ～ K45 + 800（ about 3 km） . The maximum displacement is up to 1. 5 m，anchors of pipeline cracked，pine supports inclined，optical cable along the pipeline be snapped. In order to eliminate accelerated flow，an S-shaped transitional bend circuit laying method was suggested，and the pipe laying technology was modified at the same time. After modification，the pipeline did not generate accelerated flow on the next test running. It works well，and has a sound effect.
·106·
动能够实现动量转换。由于浆体同纯气体、纯液体 物性上的不同，浆体管道的管道设计、敷设要求及输 送方式均同纯气体管道、纯液体管道不同。其输送 方式包括： ①批量输送，其工况为浆体和水交替输送 但不间断停运； ②间断输送，其工况亦为浆体和水交 替输送，但 每 一 次 浆 批 和 水 批 之 后 停 运 一 段 时 间。 其连接形式包括： ①密闭输送，前一段管道直接连接 到下一段主泵入口端并提供一定的入口压力； ②开 式输送，前一段管道的浆体先进入下一段的贮槽，由 喂料泵将贮槽中的浆体喂入下一段主泵并提供一定 的入口压力。浆体管道线路根据地形、地势进行布 置，力求顺直以减少线路长度和避免转弯过多，线路 选择应避免经过地形起伏过大地区，尽量减少泵站
圆弧管段 5 和 6 圆心角控制在 90° ～ 120°之间 为宜，因为圆心角小于 90° 圆弧管段管壁对浆体阻 力过大容易引起 S 型缓弯回路剧烈振动，圆心角大 于 120°圆弧管段管壁对浆体阻力过小，浆体放散太 快，减速效果差。直管段 7 不能没有，若取消之，浆 体通过圆弧段 5 减速后，又迅速进入下一圆弧段 6 减速，这样减速太快，虽然能使浆体迅速减速以达到 消除加速流的目的，但同样能使 S 型缓弯回路发生
Keywords Slurry pipeline，Accelerated flow，Traditional eliminating method，S-shaped transitional bend circuit
目前国内外消除浆体管道加速流的方法： 增加 管道强度、改变批量输送条件［1］； 在产生加速流的 主管线上加设旁通管，通过旁通管上的消能装置来 消除加速流［2-3］。上述方法虽能起到消除加速流或 减缓加速流，但存在效果不理想，操作复杂，管道运 行安全性差的问题。为确保管道运行安全和平稳， 减少对管 道 的 维 护 量，避 免 对 环 境 的 破 坏 和 污 染。 采用 S 型缓弯回路能自动消除加速流，操作简单，效 果好。
Series No. 432 June 2012
·机电与自动化·
金属矿山
METAL MINE
总 第 432 期 2012年第 6 期
瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术
董荔苇1，2
（ 1. 中国十九冶集团有限公司，2. 西南交通大学经济管理学院）
摘 要 巴布亚新几内亚瑞木镍钴红土矿矿浆管道工程，建成后试通浆在 K44 + 300 ～ K45 + 400 处产生了加 速流，造成 K43 ～ K45 + 800 近 3 km 的管段在垂直方向、水平方向发生位移，横向最大位移达 1. 5 m，管道附属设施 锚固墩破裂，支墩倾斜； 随管道敷设的光缆被拉断等破坏现象。为消除加速流，建议在此处采用 S 型缓弯回路来消 除加速流，同时修改管道敷设工艺。管道经重新敷设后，再次试通浆没有产生加速流，且运行平稳，收到了良好效 果。
2 加速流的传统消除方法
为消除加速流对浆体管道的影响，传统方法包 括： ①增加管壁厚度； ②管道增加内衬； ③减缓管道 敷设的坡度； ④改变批量运输条件； ⑤减小管径［1］。 其中方法①和②主要是为了提高浆体管道的强度， 起到保护管道的目的，但本身并不具备消除加速流 的能力。方法③、④、⑤主要起到消除和减缓加速流 的目的，但其中方法③受地形、地势条件影响大； 方 法④需要重复启动、停机，操作复杂； 方法⑤由于浆 体管道通常采用定浓度、定流量输送，因此浆体流速 会加大，压力会升高，效果并不理想，且管道磨损、侵 蚀加大，应用范围小。
如图 4 所示，组合弯管近似圆，由单根弯管组 成，已知单根弯管两端直段长度为 A，弧长为 L，半径 为 R1 ，弯曲度数为 θ，求组合弯管的半径 R：
X1 = R1 ·sinθ，X2 = X1 + A·cosθ，
·108·
图 4 组合弯管半径计算
1—组合弯管圆弧； 2—切线
由几何关系得 β = θ，R = X2 / sinβ，
图 1 管线纵剖面
图 2 管线平面
（ 1） 导致浆体在前端管道高点位置 1 向下区域 形成非满管流或层流状态，达不到浆体输送的临界 流速。
（ 2） 在管道下游位置 2 的区域形成较高的流 速，当管线走向突然改变方向时，随之会引起管道内 浆体流动速度的大小及方向的突然改变，并在该区 域产生较大的压力和冲击力引起管道振动并产生位 移。
1 加速流的产生
长距离的浆体管道广泛运用于矿石输送，尤其 是位置偏远的矿山。目前长距离管道输送的大量物 质主要是 气 态 物 质 或 液 态 物 质，如 石 油 和 天 然 气 （ 多相流除外） ，在管道内呈单相流体。浆体的管道 输送则是将固体物质粉碎成一定的颗粒与液体拌和 制成，在管道内呈固 / 液两相流体，浆体在管道内流
代入 X2 得 R = R1 + A / tanθ.
4. 4 S 型缓弯回路的工作原理 当浆体通过上游管段 1 进入直管段 3 时开始加
速，并形成非满管流。当浆体进入圆弧管段 5 时，圆 弧管段 5 外圆弧管壁能提供足够的阻力对浆体进行 减速。浆体再经过直管段 7 缓冲后，进入下一个圆 弧管段 6。圆弧管段 6 的外圆弧管壁再进一步对浆 体提供足够的阻力使浆体进一步减速，迫使直管段 3 形成满管流，来保证浆体达到输送所要求的临界 流速，从而自动消除加速流。
3 K44 + 300 ～ K45 + 400 段的水力学分析
从管线的纵剖面（ 图 1） 和平面（ 图 2） 可以看 出，从 K44 + 300 开始到 K45 + 400，管线纵向坡度整 体呈线性下降趋势，平面布置却是直线分布，浆体在 管道内输送过程中，由于重力影响易形成重力加速 流，影响管道的正常运行。
董荔苇（ 1967—） ，男，高级工程师，国家一级注册建造师，硕士研究 生，610031 四川省成都市人民中路三段 57 号。
董荔苇： 瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术
2012 年第 6 期
数量和加速流的产生。浆体管道在运行过程中，管 道磨损、腐蚀较大，同时会产生加速流、浆体板结等 其他管道输送领域所没有的问题。
关键词 矿浆管道 加速流 传统消除方法 S 型缓弯回路
Eliminating Accelerated Flow Technique Used on Slurry Pipeline in PNG Ramu Nico Red Soil Ore Project Dong Liwei1，2
（ 1. China 19th Metallurgical Corporation，2. School of Economics and Management，Southwest Jiaotong University）
加速流是指当管道敷设的坡度大于水力摩阻损 失的坡度且下游管端具有余压时，管道内会产生浆 体的加速流动，从而使管道成不满流。其实质是由 于管线上下游高程差较大、或在批量输送时浆批与 水批的密度差等原因造成，使浆体正常流速和压力 发生突然改变，相应浆体位能坡降超过正常满管流 浆体输入的水力梯度而产生的水击现象［4-5］。这种 加速流的产生实际上是由多余的能量引起的，加速 流的危害极大，能使管道发生剧烈振动，管线能产生 纵、横向移动，管线附属设施和基础松动或位移，伴 随泥浆锤的产生。破坏性进一步扩大时，弯管被拉 成直管，直管被压缩成弯管，易产生管道扭曲、褶皱、 屈曲、扁平、凹陷、断裂、破裂等。
S 型缓弯回敷设时，上游管道 1 敷设应尽量降 坡，下游管道 2 敷设应尽量抬高高程。当管道暗敷 时，开挖管沟，圆弧段管沟的弧度必须与圆弧段的弧 度一致，直线亦同，并严格控制管沟底水力梯度，无 论在什么情况下管道敷设应力值必须降至最低，安 装好的管道不准随便移动。严禁使用弹性敷设，其 中管沟填充应采用黏土、拌合土等夯实填充，保证在 短时间内能固结，且雨水浸泡、冲刷不流失。管道明 敷时，锚固墩、支墩基础必须进入土壤持力层，截面 积可适当加大，且必须垂直于水平面，管托、管枕必 须与管道底部充分接触，且必须受力。管道组对焊 接时严禁硬对口，直管用内对口器组对，弯管用外对 口器组对，焊接方式为下向焊。 4. 3 S 型缓弯回路组合弯管半径计算模型
（ 3） 由于重力加速流的影响，会出现局部浆体 流速过高，管壁的磨蚀较为严重。所以在管道纵坡 较陡的区段 K44 + 300 至 K45 + 400（ 1 ～ 2 点之间） ， 主动布置 S 型缓弯回路，通过增加局部水头损失来 自动消除加速流的危害。
4 S来自百度文库型缓弯回路
S 型缓弯回路与现有力求顺直以减少线路长度 和避免转弯过多的设计准则不同，将弯管用于消除 浆体管道加速流，通过主动的增加转弯，从而通过管 线长度的增加增大浆体流动的阻力。通过圆弧管段 改变各直管段的斜率，从而增大管壁同浆体之间的 相互作用力，通过作用力的增大增加浆体流动的阻 力，通过对浆体势能的消耗迫使浆体减速消除加速 流的产生。由于未设置旁通管及阀门，清管扫线能 1 次完成； 当产生加速流时能自动消除加速流，无需 监测和控制，使用方便、操作简单。
·107·
总第 432 期
金属矿山
4. 1 S 型缓弯回路的结构组成 图 3 所示包括分别连接上游管道 1 和下游管道
2 的直管段 3 和 4，中间是由两段圆弧管段 5 和 6 组 成。两段圆弧管段之间可用直管段 7 连接或直接连 接（ 因为每根弯管的管端均有 2 m 的直管段） ，圆弧 管段采用中心曲线为平滑曲线的弯管构成，每根弯 管的弯曲半径为 30 ～ 50 倍管外径。大于 30 倍管外 径能避免浆体对管道的冲击力过大，避免浆体在弯 曲处沉降、淤积，并方便弯管压制。小于 50 倍管外 径，则是为了保证足够的减速效果，圆弧管段圆心角 为 90° ～ 120°。S 型缓弯回路所用管子材质和管内 径均与主管道相同，连接均采用平滑过渡连接。
2012 年第 6 期
图 3 平滑连接
1—上游管道； 2—下游管道； 3、4、7—直管段； 5、6—圆弧管段
4. 2 S 型缓弯回路的布置形式 上游管道 1 始终需要由山顶延伸至山底或者说
由谷顶延伸至谷底。为了在最小线路长度的前提下 满足加速流 消 除 的 要 求，作 为 一 种 优 选 形 式，依 地 形、地势，S 型缓弯回路布置在山体斜面的纵向平面 内。见图 1 的 1 ～ 2 点之间。
Abstract The slurry pipeline in PNG Ramu Nico red soil ore project generated accelerated flow in the section of K44 + 300 to K45 + 400 on the test running stage when it completed，and it caused a displacement on vertical and horizontal direction of the pipeline on the section of K43 ～ K45 + 800（ about 3 km） . The maximum displacement is up to 1. 5 m，anchors of pipeline cracked，pine supports inclined，optical cable along the pipeline be snapped. In order to eliminate accelerated flow，an S-shaped transitional bend circuit laying method was suggested，and the pipe laying technology was modified at the same time. After modification，the pipeline did not generate accelerated flow on the next test running. It works well，and has a sound effect.
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动能够实现动量转换。由于浆体同纯气体、纯液体 物性上的不同，浆体管道的管道设计、敷设要求及输 送方式均同纯气体管道、纯液体管道不同。其输送 方式包括： ①批量输送，其工况为浆体和水交替输送 但不间断停运； ②间断输送，其工况亦为浆体和水交 替输送，但 每 一 次 浆 批 和 水 批 之 后 停 运 一 段 时 间。 其连接形式包括： ①密闭输送，前一段管道直接连接 到下一段主泵入口端并提供一定的入口压力； ②开 式输送，前一段管道的浆体先进入下一段的贮槽，由 喂料泵将贮槽中的浆体喂入下一段主泵并提供一定 的入口压力。浆体管道线路根据地形、地势进行布 置，力求顺直以减少线路长度和避免转弯过多，线路 选择应避免经过地形起伏过大地区，尽量减少泵站
圆弧管段 5 和 6 圆心角控制在 90° ～ 120°之间 为宜，因为圆心角小于 90° 圆弧管段管壁对浆体阻 力过大容易引起 S 型缓弯回路剧烈振动，圆心角大 于 120°圆弧管段管壁对浆体阻力过小，浆体放散太 快，减速效果差。直管段 7 不能没有，若取消之，浆 体通过圆弧段 5 减速后，又迅速进入下一圆弧段 6 减速，这样减速太快，虽然能使浆体迅速减速以达到 消除加速流的目的，但同样能使 S 型缓弯回路发生
Keywords Slurry pipeline，Accelerated flow，Traditional eliminating method，S-shaped transitional bend circuit
目前国内外消除浆体管道加速流的方法： 增加 管道强度、改变批量输送条件［1］； 在产生加速流的 主管线上加设旁通管，通过旁通管上的消能装置来 消除加速流［2-3］。上述方法虽能起到消除加速流或 减缓加速流，但存在效果不理想，操作复杂，管道运 行安全性差的问题。为确保管道运行安全和平稳， 减少对管 道 的 维 护 量，避 免 对 环 境 的 破 坏 和 污 染。 采用 S 型缓弯回路能自动消除加速流，操作简单，效 果好。
Series No. 432 June 2012
·机电与自动化·
金属矿山
METAL MINE
总 第 432 期 2012年第 6 期
瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术
董荔苇1，2
（ 1. 中国十九冶集团有限公司，2. 西南交通大学经济管理学院）
摘 要 巴布亚新几内亚瑞木镍钴红土矿矿浆管道工程，建成后试通浆在 K44 + 300 ～ K45 + 400 处产生了加 速流，造成 K43 ～ K45 + 800 近 3 km 的管段在垂直方向、水平方向发生位移，横向最大位移达 1. 5 m，管道附属设施 锚固墩破裂，支墩倾斜； 随管道敷设的光缆被拉断等破坏现象。为消除加速流，建议在此处采用 S 型缓弯回路来消 除加速流，同时修改管道敷设工艺。管道经重新敷设后，再次试通浆没有产生加速流，且运行平稳，收到了良好效 果。
2 加速流的传统消除方法
为消除加速流对浆体管道的影响，传统方法包 括： ①增加管壁厚度； ②管道增加内衬； ③减缓管道 敷设的坡度； ④改变批量运输条件； ⑤减小管径［1］。 其中方法①和②主要是为了提高浆体管道的强度， 起到保护管道的目的，但本身并不具备消除加速流 的能力。方法③、④、⑤主要起到消除和减缓加速流 的目的，但其中方法③受地形、地势条件影响大； 方 法④需要重复启动、停机，操作复杂； 方法⑤由于浆 体管道通常采用定浓度、定流量输送，因此浆体流速 会加大，压力会升高，效果并不理想，且管道磨损、侵 蚀加大，应用范围小。
如图 4 所示，组合弯管近似圆，由单根弯管组 成，已知单根弯管两端直段长度为 A，弧长为 L，半径 为 R1 ，弯曲度数为 θ，求组合弯管的半径 R：
X1 = R1 ·sinθ，X2 = X1 + A·cosθ，
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图 4 组合弯管半径计算
1—组合弯管圆弧； 2—切线
由几何关系得 β = θ，R = X2 / sinβ，
图 1 管线纵剖面
图 2 管线平面
（ 1） 导致浆体在前端管道高点位置 1 向下区域 形成非满管流或层流状态，达不到浆体输送的临界 流速。
（ 2） 在管道下游位置 2 的区域形成较高的流 速，当管线走向突然改变方向时，随之会引起管道内 浆体流动速度的大小及方向的突然改变，并在该区 域产生较大的压力和冲击力引起管道振动并产生位 移。
1 加速流的产生
长距离的浆体管道广泛运用于矿石输送，尤其 是位置偏远的矿山。目前长距离管道输送的大量物 质主要是 气 态 物 质 或 液 态 物 质，如 石 油 和 天 然 气 （ 多相流除外） ，在管道内呈单相流体。浆体的管道 输送则是将固体物质粉碎成一定的颗粒与液体拌和 制成，在管道内呈固 / 液两相流体，浆体在管道内流
代入 X2 得 R = R1 + A / tanθ.
4. 4 S 型缓弯回路的工作原理 当浆体通过上游管段 1 进入直管段 3 时开始加
速，并形成非满管流。当浆体进入圆弧管段 5 时，圆 弧管段 5 外圆弧管壁能提供足够的阻力对浆体进行 减速。浆体再经过直管段 7 缓冲后，进入下一个圆 弧管段 6。圆弧管段 6 的外圆弧管壁再进一步对浆 体提供足够的阻力使浆体进一步减速，迫使直管段 3 形成满管流，来保证浆体达到输送所要求的临界 流速，从而自动消除加速流。
3 K44 + 300 ～ K45 + 400 段的水力学分析
从管线的纵剖面（ 图 1） 和平面（ 图 2） 可以看 出，从 K44 + 300 开始到 K45 + 400，管线纵向坡度整 体呈线性下降趋势，平面布置却是直线分布，浆体在 管道内输送过程中，由于重力影响易形成重力加速 流，影响管道的正常运行。
董荔苇（ 1967—） ，男，高级工程师，国家一级注册建造师，硕士研究 生，610031 四川省成都市人民中路三段 57 号。
董荔苇： 瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术
2012 年第 6 期
数量和加速流的产生。浆体管道在运行过程中，管 道磨损、腐蚀较大，同时会产生加速流、浆体板结等 其他管道输送领域所没有的问题。
关键词 矿浆管道 加速流 传统消除方法 S 型缓弯回路
Eliminating Accelerated Flow Technique Used on Slurry Pipeline in PNG Ramu Nico Red Soil Ore Project Dong Liwei1，2
（ 1. China 19th Metallurgical Corporation，2. School of Economics and Management，Southwest Jiaotong University）
加速流是指当管道敷设的坡度大于水力摩阻损 失的坡度且下游管端具有余压时，管道内会产生浆 体的加速流动，从而使管道成不满流。其实质是由 于管线上下游高程差较大、或在批量输送时浆批与 水批的密度差等原因造成，使浆体正常流速和压力 发生突然改变，相应浆体位能坡降超过正常满管流 浆体输入的水力梯度而产生的水击现象［4-5］。这种 加速流的产生实际上是由多余的能量引起的，加速 流的危害极大，能使管道发生剧烈振动，管线能产生 纵、横向移动，管线附属设施和基础松动或位移，伴 随泥浆锤的产生。破坏性进一步扩大时，弯管被拉 成直管，直管被压缩成弯管，易产生管道扭曲、褶皱、 屈曲、扁平、凹陷、断裂、破裂等。
S 型缓弯回敷设时，上游管道 1 敷设应尽量降 坡，下游管道 2 敷设应尽量抬高高程。当管道暗敷 时，开挖管沟，圆弧段管沟的弧度必须与圆弧段的弧 度一致，直线亦同，并严格控制管沟底水力梯度，无 论在什么情况下管道敷设应力值必须降至最低，安 装好的管道不准随便移动。严禁使用弹性敷设，其 中管沟填充应采用黏土、拌合土等夯实填充，保证在 短时间内能固结，且雨水浸泡、冲刷不流失。管道明 敷时，锚固墩、支墩基础必须进入土壤持力层，截面 积可适当加大，且必须垂直于水平面，管托、管枕必 须与管道底部充分接触，且必须受力。管道组对焊 接时严禁硬对口，直管用内对口器组对，弯管用外对 口器组对，焊接方式为下向焊。 4. 3 S 型缓弯回路组合弯管半径计算模型
（ 3） 由于重力加速流的影响，会出现局部浆体 流速过高，管壁的磨蚀较为严重。所以在管道纵坡 较陡的区段 K44 + 300 至 K45 + 400（ 1 ～ 2 点之间） ， 主动布置 S 型缓弯回路，通过增加局部水头损失来 自动消除加速流的危害。
4 S来自百度文库型缓弯回路
S 型缓弯回路与现有力求顺直以减少线路长度 和避免转弯过多的设计准则不同，将弯管用于消除 浆体管道加速流，通过主动的增加转弯，从而通过管 线长度的增加增大浆体流动的阻力。通过圆弧管段 改变各直管段的斜率，从而增大管壁同浆体之间的 相互作用力，通过作用力的增大增加浆体流动的阻 力，通过对浆体势能的消耗迫使浆体减速消除加速 流的产生。由于未设置旁通管及阀门，清管扫线能 1 次完成； 当产生加速流时能自动消除加速流，无需 监测和控制，使用方便、操作简单。
·107·
总第 432 期
金属矿山
4. 1 S 型缓弯回路的结构组成 图 3 所示包括分别连接上游管道 1 和下游管道
2 的直管段 3 和 4，中间是由两段圆弧管段 5 和 6 组 成。两段圆弧管段之间可用直管段 7 连接或直接连 接（ 因为每根弯管的管端均有 2 m 的直管段） ，圆弧 管段采用中心曲线为平滑曲线的弯管构成，每根弯 管的弯曲半径为 30 ～ 50 倍管外径。大于 30 倍管外 径能避免浆体对管道的冲击力过大，避免浆体在弯 曲处沉降、淤积，并方便弯管压制。小于 50 倍管外 径，则是为了保证足够的减速效果，圆弧管段圆心角 为 90° ～ 120°。S 型缓弯回路所用管子材质和管内 径均与主管道相同，连接均采用平滑过渡连接。
2012 年第 6 期
图 3 平滑连接
1—上游管道； 2—下游管道； 3、4、7—直管段； 5、6—圆弧管段
4. 2 S 型缓弯回路的布置形式 上游管道 1 始终需要由山顶延伸至山底或者说
由谷顶延伸至谷底。为了在最小线路长度的前提下 满足加速流 消 除 的 要 求，作 为 一 种 优 选 形 式，依 地 形、地势，S 型缓弯回路布置在山体斜面的纵向平面 内。见图 1 的 1 ～ 2 点之间。