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摘要：管道输送是现阶段能源输送的重要方式，在能源输送领域，为了适应长距离的管道输送，一般需要结合实际输送任务需求设计相应的输送系统。本文在对长距离管道输送系统设计所面临的重点和难点进行研究和，结合实际的输送任务，为其设计了长距离的管道输送，用以满足输送任务中浆体运送的要求。与此同时，本文还进行了水锤的研究，利用水锤与管道互动，保障运输。
关键词：管道运输；参数设定；摩阻损失；固体颗粒沉降
前言：在现今的长距离管道输送系统的设计工程中，工程设计者会结合输送物料的性质、物料在运输过程中的特性，将系统分为参数设定、性质测定、泵型选择、相关量计算和方案确定等几个部分，从而保证施工人员可以运用系统对运输过程中的各个环节进行预估和控制，从而最终确定输送方案。系统工程的运用可以提升工作效率，降低工作失误。
一、长距离浆体管道输送系统工程探究
（一）长距离浆体输送面临的困难
与一般固体物料的输送不同，在长距离的管道输送当中，设计人员和施工人员需要额外注意浆体所具有的基本性质，认真避免在流动过程中发生沉降和损失，而这一部分正是浆体输送面临的主要难点。
1.浆体性质
在长距离管道输送中，浆体输送通常为混合水的固体颗粒状物料，这种物料在运输过程中不能够发生物理变化或者是化学变化，因此在部分固态物料的运输中，也会采用混合水的方式进行浆体运输。在管道输送系统中，需要对浆体的密度以及比热等相关数据进行统计，从而最终确定其运输方式。
2.浆体运动
在管道当中，浆体的运动方式始终处在悬浮状态，即固体颗粒物悬浮于水面之上，利用大于清水的粘度，从而实现流动输送。浆体在流动过程中会受到剪切力的作用出现切应力和切变率的变化，在工业输送当中，这种应力和切变率的变化一般是与输送时间无关的非牛顿体，因此具备不同形态的特殊流型。
3.浆体沉降
在输送过程中，输送的固体颗粒物比重一般大于输送载体水的比重，因此在混合流体当中，会形成因颗粒比重与沉速不同所带来的相对下沉运动趋势，从而出现固体颗粒的自由沉降现象。这种沉降现象一般发生在球状颗粒体当中，并且颗粒的大小、形状、质量不会随着沉降而发生变化。与此同时，在重力的作用之下，颗粒体的下沉过程加速度较为极端，因此在当重力与阻力相互持平时，颗粒会出现等速下沉现象。
4.浆体摩阻损失
现阶段对浆体摩阻损失的研究尚处于起步阶段，作为浆体运输的重要参数，摩阻损失的研究和计算有着十分复杂的难度，它与输送工程中泵型选择、泵站数量设置、管道能量消耗都有着密切联系，目前较为普遍的研究理论为扩散理论。在扩散理论当中，悬浊浆体受到颗粒物的挥发，会使其扩散次数在不发生紊流的情况下逐渐增加，此时，浆体作为单一流体，其粘度和密度都大于清水，因此可以利用浆体比重、清水摩阻等数值，求出浆体摩阻损失，其沿程浆体摩阻损失计算公式为：
浆体摩阻损失计算公式中，α为浆体的减阻系数，范围区间为（0.8,1），代表浆体中固体颗粒抑制紊流的效果；λ为浆体在管道内的沿程摩阻系数；L为运输管道的长度；D为运输管道的内径；V为运输管道内浆体的平均流速；g为重力加速度。
（二）长距离管道输送设计方法
本文在进行系统工程设计时选用了某矿场管道输送为任务需求，并对输送距离、输送高差、输送规模进行计算后，确定了具体的设计方法。
1.性质测定
本文所选用的研究矿场为某废气矿场，需要运用管道方式将内部矿产资源输送出去。因此首先需要对矿产的比重和静态沉降特性进行测定。首先，将待测矿产分为十个组别，每一组为200kg干矿，运用计算公式，得出最终的实验测定比重平均值为2.55g/m³，作为浆体运输，浆体比重会随着浆体的浓度变化而发生改变，因此需要结合具体的矿产参数进行浆体比重的测定[1]；利用静态沉降实现来测定井田沉降特性，实验需要将待测浆体分为两组，每一组分为多种不同浓度，并将其放置入1000ml量筒内进行沉降观测，并对沉降过程进行记录和分析，最终通过浑浊面的变化来确定浆体的沉降特性。还应当对浆体的长距离输送管径加以确定，并明确浆体输送浓度，一般来说，可以采用浓度为70%的浆体进行性质测试。
2.参数确定
输送设计中的参数分为管道输送流量和临界流速两个方面。管道输送流量可以根据年输送规模进行计算，最终得出出浆的固体量，并对最大和最小两个固体量进行比较研究，求得平均固体量。再利用不同输送浓度下最大输送流量，确定系统参数，从而求出管道输送的合理流量；长距离管道的输送临界流速受到输送流量、管道外径、最小结构壁厚和输送流速等条件的共同影响，在15%和50%两种浓度的浆体当中，差异较大。因此在计算之前，需要对输送对象的浓度进行区分，从而计算得出输送浆体的临界流速。
3.选择泵型
作为管道输送的主泵选择，需要通过输送高差、浆体比重、附加系数、输送距离以及水力坡度等相关数据求得主泵最大的运行压力数值，在与市面当中常见的泵型进行比较，最终确定选用主力泵型。本文选择了能够利用悬浮球加压的水隔离浆体泵，这一泵型具有清水泵、清水阀、止回阀、隔离罐、流量调节阀、浆体浓缩池等部件，浆体重量浓度:≤70%；流量:30-1000m3/h；输送介质粒度:≤2mm；扬程：60-1000m；泵阻效率:0.65-0.85。在使用过程中，运用隔离罐中的悬浮球，可以使清水得到排除出，并利用高压将清水传导入下部的矿浆之中，关闭止回阀，就可以使上部清水泄压，从而保证三个隔离罐交替工作，使整个过程完成循环。
4 .输送方案确定
通过计算，在管道输送系统工程的设计中，结合输送距离，确定了最终浆体输送浓度为50%，输送高差为200m，输送流量为2350m³/h，流速3.7m/s。主泵八台，选择单台泵流量达到500m³/s，额定运行压力大于5MPa的水隔离泵，扬程386m，工作效率额定78%。管道材料为无缝钢管，外径500mm，壁厚150mm。
二、水锤与管道互动探究
（一）水锤工作分类
在关阀工作中，水锤可以分为直接水锤和间接水锤两种。在阀门全部关闭时，只有直接波能够影响阀门处压力的升高，这种水锤现象被称为直接水锤，而在反射波作用下，阀门无法完全闭合，这是阀门处的压力升高并出现与反射波相互抵消的现象，相较于直接水锤，压力更小，则被称为间接水锤。而在力学特性当中，水锤则可以分为刚性水锤和弹性水锤。其中刚性水锤是指发生水锤现象时流体具有可压缩性，在管道壁的作用之下，流体流速发生剧变。而弹性水锤则认为惯性与管材弹性共同作用于流体，从而造成管壁变形。
（二）水锤对管道的振动作用
水锤现象发生时，浆体会形成一定压力波，从而作用于流速，最终导致管道发生振动。水锤波动由于带来了流速剧变，并发生水力撞击，因此不会是单一的机械传播，而是具有多变性和复杂性。一般在管道壁破裂、闸阀操作、流体机械等扰源的作用之下，会形成强烈的水锤现象，从而出现流固耦合，并使管道发生剧烈震动[2]。同时管道以及机械设备在撞击的作用之下会受到冲击，最终导致闸阀失灵，甚至是损坏机械设备。
结论：综上所述，在现阶段的管道浆体长距离输送的系统工程中，设计者应当首先对施工情况进行认真研究，并对浆体特征进行分析，从而确定浆体浓度，选定主力泵型，最终实现浆体的输送。在输送过程中，水锤现象的出现会对输送管道造成影响，设计者需要认真分析原因并加以解决。
参考文献：
[1]刘超,王大鹏,李怡心. 管道安全保护系统在兰郑长成品油管道的应用[J]. 油气田地面工程,2017,36(01):5-7.
[2]李甲振,杨开林,郭新蕾. 可控高扬程水锤泵模型试验[J/OL]. 水利学报,2015,46(01):102-108.
论文作者:陈建
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/23
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