張 杰，曾 云

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備技術(shù)四川省科技資源共享服務(wù)平臺(tái)，四川 成都 610500；3.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

1 漿體管道輸送技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 漿體管道輸送技術(shù)特點(diǎn)

管道運(yùn)輸已成為繼鐵路、公路、航空、水運(yùn)之后的第五大運(yùn)輸方式[1]。其中，長(zhǎng)距離漿體管道輸送是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的運(yùn)輸方式，已被廣泛應(yīng)用于磷、硫、高嶺土、鋁礬土、石灰石等礦物以及水泥、泥沙等的漿體輸送。經(jīng)過近60年的發(fā)展，我國(guó)已建成甕福磷精礦、大峪口磷精礦等礦漿管道輸送工程。

漿體管道輸送技術(shù)的主要特點(diǎn)為[2-3]：①在大規(guī)模長(zhǎng)途運(yùn)輸中，成本相對(duì)于其他運(yùn)輸方式更低；②運(yùn)輸效率高；③設(shè)備自動(dòng)化程度高，維修和管理更加方便；④噪音低、振幅小、無揚(yáng)塵且不受周圍地形和天氣的影響；⑤相比于公路和鐵路，建設(shè)周期更短；⑥輸送物料粒度受到一定限制；⑦制備漿體需要大量水；⑧鋪設(shè)管道會(huì)提高成本；⑨只能單向運(yùn)輸。

1.2 漿體管道輸送系統(tǒng)

漿體管道輸送系統(tǒng)可分為前處理系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)[4]。前處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)前期物料磨碎、漿體制備等。漿體制備是前處理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，主要制備合適濃度的漿體，其濃度、酸堿度、物料粒度等需要嚴(yán)格控制，主要包括破碎設(shè)備、磨碎設(shè)備、篩選設(shè)備、漿體濃縮設(shè)備、貯存漿體設(shè)備等。輸送系統(tǒng)主要由管道和漿體泵組成，用以確保物料能夠在長(zhǎng)途運(yùn)輸中保持良好穩(wěn)定的輸送效率，其可靠性和穩(wěn)定性關(guān)系到生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。后處理系統(tǒng)主要將送達(dá)的物料進(jìn)行后處理，如沉淀、濃縮、過濾、脫水、干燥等，使物料達(dá)到使用要求，同時(shí)脫水后的廢水因存在大量懸浮物和物料殘?jiān)?，且酸堿度很高，需經(jīng)過濾和凈化達(dá)標(biāo)后方可排放。

1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

管道運(yùn)輸首先由美國(guó)的Walath·C·Andlus[1]在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功，并且獲得專利權(quán)。19世紀(jì)40年代末美國(guó)鐵路運(yùn)煤價(jià)格暴漲，由此促使建成了第一條長(zhǎng)距離運(yùn)煤管道。之后運(yùn)行實(shí)踐表明，該管道運(yùn)輸在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都取得了很大成功。20世紀(jì)50年代末，為供愛迪生公司電廠用煤，一條橫貫科羅拉多大峽谷的運(yùn)輸管道開始修建。隨后，澳大利亞在薩瓦齊河修建了一條用于輸送鐵精礦的管道，開啟了鐵精礦輸送新時(shí)代，之后管道輸送技術(shù)得到了快速發(fā)展。1977年巴西建成了世界上規(guī)模最大的鐵精礦輸送管道——薩馬科鐵礦輸送管道，其長(zhǎng)達(dá)397 km，管徑508 mm，年輸送量達(dá)1 200萬t。2011年中冶瑞木在巴布亞新幾內(nèi)亞建設(shè)了長(zhǎng)135 km、管徑630 mm、運(yùn)輸能力380萬t/a的紅土鎳礦漿體管道。2014年中信泰富在澳大利亞建設(shè)了長(zhǎng)30 km、管徑813 mm、運(yùn)輸能力3 300萬t/a的鐵精礦漿體管道。

我國(guó)漿體管道輸送技術(shù)最初應(yīng)用于尾砂漿體輸送，20世紀(jì)50年代為漿體管道輸送的啟蒙階段，20世紀(jì)70-80年代砂泵研制成功，隨后建立了多個(gè)漿體管道實(shí)驗(yàn)中心，建設(shè)了多條長(zhǎng)距離管道工程；20世紀(jì)80-90年代，我國(guó)開展了一系列漿體管道研究工作，且取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，漿體管道從準(zhǔn)備階段正式邁入實(shí)際應(yīng)用階段。1995年，貴州甕福磷礦建設(shè)了長(zhǎng)46.7 km、管徑210 mm、運(yùn)輸能力200萬t/a的磷精礦漿體管道，這是我國(guó)第一條長(zhǎng)距離礦漿管道。1997年，太鋼尖山鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)102.3 km、管徑229.7 mm、運(yùn)輸能力200萬t/a的鐵精礦漿體管道；鞍鋼調(diào)軍臺(tái)選礦廠建設(shè)了長(zhǎng)22 km、管徑225 mm、運(yùn)輸能力302萬t/a的鐵精礦漿體管道。2006年，貴州開陽磷礦建設(shè)了長(zhǎng)17 km、管徑219.1 mm、運(yùn)輸能力230萬t/a的磷精礦漿體管道。2007年，大紅山鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)171 km、管徑244.5 mm、運(yùn)輸能力230萬t/a的鐵精礦漿體管道，其長(zhǎng)度居全國(guó)首位，最高海拔和揚(yáng)送高差分別達(dá)到2 182 m和1 512 m。2010年，包鋼白云鄂博鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)145 km、管徑355 mm、運(yùn)輸能力550萬t/a的鐵精礦漿體管道。2011年，昆鋼包子鋪鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)11 km、管徑50 mm、運(yùn)輸能力168.3萬t/a的鐵精礦漿體管道。2012年，攀鋼白馬鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)95 km、管徑273 mm、運(yùn)輸能力300萬t/a的鐵精礦漿體管道。2013年，貴州甕福磷礦擴(kuò)建了一條長(zhǎng)46.7 km、管徑210 mm、運(yùn)輸能力520萬t/a的磷精礦漿體管道；太鋼袁家村鐵礦建設(shè)了長(zhǎng)18 km、管徑406.4 mm、運(yùn)輸能力740萬t/a的鐵精礦漿體管道；寶鋼梅山鐵礦在其山景尾礦庫建設(shè)了長(zhǎng)38 km、管徑245 mm(無縫鋼管內(nèi)襯氧化鋁陶瓷)、運(yùn)輸能力65萬t/a的鐵尾礦漿體管道。2018年，陜煤建設(shè)的輸煤管道長(zhǎng)達(dá)727 km，年輸煤能力達(dá)1 000萬t，是世界上最長(zhǎng)的輸煤管道，也是亞洲第一條長(zhǎng)距離輸煤管道[5]。

2 管道結(jié)構(gòu)安全研究現(xiàn)狀

與常規(guī)油氣管道相比，漿體管道的輸送介質(zhì)更復(fù)雜、服役環(huán)境更嚴(yán)苛。除了管體及焊縫材料缺陷導(dǎo)致失效外，腐蝕、沖蝕磨損、截面失穩(wěn)、屈曲變形、振動(dòng)破壞已成為礦物漿體管道服役安全的主要失效模式[6-8]。特別是在用高壓輸送的高濃度料漿大口徑管道投入運(yùn)行后，亟需開展?jié){體管道服役損傷演變機(jī)制與安全評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)研究。

漿體管道結(jié)構(gòu)完整性面臨的主要難題有：

a.輸送介質(zhì)復(fù)雜，管道腐蝕和沖蝕磨損嚴(yán)重導(dǎo)致承載能力低、服役壽命短。特別是管道內(nèi)外壁腐蝕形貌復(fù)雜、沖蝕部位預(yù)測(cè)難度大，亟需提出更為精準(zhǔn)的管道腐蝕與沖蝕磨損評(píng)價(jià)方法。

b.漿體管道穿越區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，易受外部載荷影響，其承受的載荷復(fù)雜多變，管道截面易發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致漿體泄漏事故。

c.地質(zhì)災(zāi)害、第三方作業(yè)等易造成地層變形進(jìn)而引發(fā)埋地漿體管道發(fā)生屈曲變形甚至斷裂，亟需針對(duì)各種工況提出精準(zhǔn)的管道失效評(píng)價(jià)方法。

d.漿體輸送站管路系統(tǒng)復(fù)雜，起停泵、非均質(zhì)流等導(dǎo)致管道系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易發(fā)生振動(dòng)失效，缺乏相關(guān)理論模型。

2.1 管道沖蝕磨損

影響漿體管道沖蝕磨損的主要因素包括顆粒濃度、撞擊速度和角度，顆粒形狀、硬度和直徑及管壁硬度與強(qiáng)度等。通過大量試驗(yàn)研究，基于表面延展性壁面變化的沖蝕理論逐漸被接受，其認(rèn)為單個(gè)顆粒撞擊壁面產(chǎn)生的塑性變形是有限的，但是當(dāng)顆粒數(shù)量增多時(shí)會(huì)增大塑性變形程度。首個(gè)對(duì)塑性材料進(jìn)行規(guī)范性總結(jié)的沖蝕理論是FINNIE[9]于1958年提出的微切削理論：當(dāng)固體顆粒撞擊金屬表面時(shí)，撞擊造成凹陷并在其周圍形成堆積體，其被后來的顆粒撞斷并離開金屬表面；當(dāng)顆粒撞擊金屬表面的撞擊角度較小時(shí)，顆粒主要表現(xiàn)為對(duì)金屬的切削作用。該理論比較完整地闡述了金屬表面的質(zhì)量損失與顆粒撞擊角度和速度之間的關(guān)系，但當(dāng)加大顆粒撞擊角度時(shí)，金屬表面損失質(zhì)量比試驗(yàn)值要小。1963年，BITTER[10]認(rèn)為在沖蝕過程中，金屬表面不僅發(fā)生了切削磨損，還有變形磨損；他認(rèn)為當(dāng)顆粒多次撞擊同一個(gè)地方時(shí)，不僅會(huì)擴(kuò)大凹陷面積，還會(huì)造成凹陷表面硬化，表面硬化意味著抗沖蝕性能增強(qiáng)；當(dāng)顆粒動(dòng)能較小時(shí)，金屬表面只存在彈性變形，隨著顆粒動(dòng)能的增大，金屬表面不僅發(fā)生彈性變形還存在塑性變形。LEVY[11]在1986年分析了金屬表面沖蝕磨損的動(dòng)態(tài)變化過程，發(fā)現(xiàn)金屬表面在顆粒的多次撞擊下，形成微小片狀碎屑并逐漸脫落。

現(xiàn)有的沖蝕磨損模型是基于不同工況和試驗(yàn)對(duì)象表面材料建立的，選用沖蝕磨損計(jì)算模型時(shí)要選擇適合的工況和研究對(duì)象。如Finnie切削磨損模型[12]適用于小角度顆粒沖蝕磨損，當(dāng)用其計(jì)算大角度顆粒沖蝕磨損時(shí)存在局限性；基于多種因素影響下名義沖蝕速率的Oka沖蝕磨損模型[13-14]研究對(duì)象為氣固兩相流動(dòng)對(duì)水平板的沖蝕速率；Ahlert沖蝕磨損模型[15]是基于AISI1018鋼材建立的；E/CRC沖蝕磨損模型[16-17]由Tulsa大學(xué)根據(jù)多組基于碳鋼材料的直接撞擊試驗(yàn)提出的，且考慮了顆粒硬度與顆粒形狀；DNV沖蝕磨損模型[18]是挪威船級(jí)社(DNV)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出的，適用于直管、彎管、三通管、焊接接頭和變徑管的沖蝕磨損計(jì)算；Menguturk and Sverdrup沖蝕磨損模型是以粉塵在鋼管中運(yùn)動(dòng)為工況開展沖蝕磨損試驗(yàn)而提出的；Huang沖蝕磨損模型是在考慮了壁面變形與微切削的情況下提出的單顆粒碰撞磨損模型；Hashish 沖蝕模型是在考慮壁面變形與微切削的情況下提出的。

目前關(guān)于液固兩相流沖蝕試驗(yàn)研究還不充分，相關(guān)數(shù)值計(jì)算結(jié)果并沒有形成統(tǒng)一結(jié)論。在特定工況下的沖蝕磨損理論預(yù)測(cè)中，對(duì)于流動(dòng)中顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的耦合作用機(jī)理還需進(jìn)一步探索。

2.2 管道腐蝕評(píng)價(jià)

腐蝕是漿體管道最常見的失效形式之一，常用的管道腐蝕剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法有ASME B31G-2009、DNV-RP-F101、PCORRC和API 579-1。其中ASME B31G-2009[19-20]在其原有評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上修正了流變應(yīng)力和膨脹系數(shù)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確，適用于強(qiáng)度等級(jí)較低的鋼管缺陷評(píng)價(jià)，但不能滿足高級(jí)鋼、大口徑管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)需要；DNV-RP-F101[18-21]適用于在極限拉伸強(qiáng)度狀態(tài)下的鋼管缺陷評(píng)價(jià)，但不適用于高鋼級(jí)管道及缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷評(píng)價(jià)；PCORRC[22]適用于中高強(qiáng)度等級(jí)管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，其標(biāo)準(zhǔn)為極限拉伸強(qiáng)度，主要用于孤立缺陷評(píng)價(jià)；基于AMSE標(biāo)準(zhǔn)的API579-1考慮了相鄰缺陷的相互影響和附加載荷的影響，但是評(píng)價(jià)方法過于復(fù)雜。

管道缺陷檢測(cè)技術(shù)主要有PCM法、漏磁法、超聲波等。PCM[23]又稱“多頻管中流電法”，可用于評(píng)估未開挖狀態(tài)下埋地管道防腐層的腐蝕情況，其基本原理是將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)線與管道連接，由PCM發(fā)射機(jī)向管道發(fā)送多種特定頻率信號(hào)電流，PCM接收機(jī)能準(zhǔn)確地檢測(cè)到經(jīng)管道傳送的這種特殊頻率信號(hào)電流，并連續(xù)測(cè)繪出管道上各處電流強(qiáng)度；管道防腐層良好時(shí)接收到的電流信號(hào)強(qiáng)，反之則電流信號(hào)弱。漏磁檢測(cè)技術(shù)是通過磁場(chǎng)變化檢測(cè)出金屬管道防腐層損失缺陷，準(zhǔn)確識(shí)別出各管道異常區(qū)域，缺陷區(qū)管道磁場(chǎng)流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生異常，從而獲得管道腐蝕層異常區(qū)域；該技術(shù)不但檢測(cè)速度快且基本不受外界干擾，適合長(zhǎng)距離管道快速檢測(cè)。超聲波的檢測(cè)技術(shù)主要分為兩種：電磁超聲檢測(cè)技術(shù)和壓電超聲檢測(cè)技術(shù)。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)會(huì)根據(jù)管道防腐層厚度產(chǎn)生不同聲波信號(hào)，接收裝置接收信號(hào)并根據(jù)產(chǎn)生的聲波判斷測(cè)試件內(nèi)是否有缺陷；壓電超聲檢測(cè)技術(shù)是對(duì)被測(cè)管道發(fā)射出超聲波信號(hào)后，在測(cè)試件的傳播路徑中會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)，接收器根據(jù)聲波傳播路徑接收到的不同信號(hào)對(duì)管道腐蝕情況進(jìn)行判斷。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害

埋地敷設(shè)的漿體管道受地層影響較大，特別是跨越地質(zhì)條件比較復(fù)雜的區(qū)域，極易受到各種地質(zhì)災(zāi)害威脅而發(fā)生變形、斷裂，導(dǎo)致漿體泄漏。我國(guó)地域遼闊且地質(zhì)條件復(fù)雜，如西部地區(qū)易出現(xiàn)滑坡、泥石流、風(fēng)蝕沙埋、鹽漬土、地震斷層、沖溝等；中部地區(qū)易出現(xiàn)滑坡、泥石流、洪水、塌陷、斷層等；西南地區(qū)易出現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流、塌陷、斷層等[24]；東部地區(qū)易出現(xiàn)地面沉降、地裂縫、塌陷、洪水等。

地震災(zāi)害對(duì)管道破壞的原因可分為兩種[25]：①斷層等地面永久變形造成管道發(fā)生較大位移，導(dǎo)致其破裂或斷裂失效，危害性極大；②地震波動(dòng)對(duì)管道造成的破壞相對(duì)較小。地震斷層運(yùn)動(dòng)作用下管道破壞形式主要有拉伸失效、局部屈曲失效和梁式彎曲失效，管道接口破壞失效，三通、彎頭、閘閥等組件連接處破壞。

當(dāng)管道在滑坡體中下部時(shí)，因承受滑坡體的巨大拖拽力而發(fā)生彎曲、拉裂等[26]；當(dāng)管道在滑坡體中上部時(shí)易出現(xiàn)懸空或拉斷。因而，針對(duì)易滑坡段可采取適當(dāng)加固措施，并修筑截、排、導(dǎo)水系統(tǒng)等。

落石是山區(qū)常發(fā)生的一種自然災(zāi)害，具有分布范圍廣、發(fā)生突然、發(fā)生頻率高、難以預(yù)防等特點(diǎn)。高程差較大的區(qū)域，落石沖擊管道或其上方覆土產(chǎn)生巨大瞬時(shí)沖擊載荷，會(huì)引起管道變形失穩(wěn)甚至破裂泄漏[27]。

人為和自然地質(zhì)作用下地表巖土向下陷落形成塌陷坑，特別是地下水抽取、滲水、振動(dòng)、超載、采空等極易引發(fā)地面塌陷，造成管道彎曲變形、懸空或斷裂[24]。我國(guó)長(zhǎng)三角、廣東、福建等地區(qū)的軟土承載能力弱、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)、靈敏度高、易受擾動(dòng)，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)超載時(shí)，地表沉降量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)危及管道安全[28]。

由于回填土和地基屬于多相松散體，具有高壓縮性、黏彈塑性、抵抗剪切性等特點(diǎn)，以及管土耦合作用、圍土變形存在不確定性，使得管道力學(xué)研究較為困難，工程中通常采用簡(jiǎn)化模型來分析管道相互作用[29]。

目前，針對(duì)埋地管道研究中的管土模型主要有3種：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型[30]。彈性地基梁模型屬于靜力模型，將管道假定為梁，管道圍土均勻分布，其簡(jiǎn)單易算，被工程界廣泛采用[31]；土彈簧模型中，圍土被簡(jiǎn)化為一系列等效彈塑性彈簧，彈簧剛度和自由度由土壤性質(zhì)和變形方式?jīng)Q定，該模型不能模擬非線性管土接觸及摩擦[29]；將理論分析和數(shù)值手段相結(jié)合建立非線性接觸模型并考慮管土耦合，是一種比較合理的解決方案[29]。

2.4 第三方活動(dòng)

我國(guó)近年來地面建設(shè)活動(dòng)頻繁，第三方施工如打樁、強(qiáng)夯和挖掘等時(shí)，對(duì)管道定位不清，或沒有按照法律法規(guī)要求施工將嚴(yán)重威脅管道安全運(yùn)行。如：莊稼地下的管道可能會(huì)受到農(nóng)忙季節(jié)的機(jī)械作業(yè)和人工耕作影響而發(fā)生破壞；下穿公路的管道，如果路面超載將使管道受壓變形。

針對(duì)第三方活動(dòng)造成的管道破壞，可通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)、采集現(xiàn)場(chǎng)圖像等手段確定第三方破壞類型，并對(duì)破壞點(diǎn)進(jìn)行定位和維護(hù)。目前常用的管道監(jiān)測(cè)方式有光纖、聲波、地震檢波器等[32]。光纖傳感技術(shù)可對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在其未發(fā)生破壞時(shí)提前預(yù)警，但光纖易受到土壤環(huán)境的影響；聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過在管內(nèi)外壁安裝高靈敏傳感器監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)；地震波傳感技術(shù)主要通過在管道沿線設(shè)置多個(gè)地震傳感器采集周界地震波信號(hào)，經(jīng)過處理、特征提取和模式識(shí)別進(jìn)而確定振動(dòng)誘因。隨著遙感及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)巡檢技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，巡檢效率得到了極大提高。

3 漿體管道輸送技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 漿體管道摩阻損失

摩阻損失是漿體管道重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，直接決定了輸送系統(tǒng)加壓泵站大小和數(shù)量，如果計(jì)算值偏大會(huì)造成浪費(fèi)，偏小則會(huì)使生產(chǎn)運(yùn)行不可靠[33]。固液兩相流的摩阻損失計(jì)算較為復(fù)雜，主要涉及漿體顆粒形狀、粒度，漿體濃度、流速、黏度，管壁材料、粗糙度、管徑、鋪設(shè)斜度等。特別是管內(nèi)漿體一般屬于非均質(zhì)流，大粒徑顆粒懸浮需要能量大且會(huì)和其他顆粒產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致摩阻損失。大粒徑在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生上舉力，使懸浮更容易；小粒徑能在一定程度上減少摩阻損失，但會(huì)導(dǎo)致漿體黏度變大。

許多研究采用模擬試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，比較分析得到摩阻計(jì)算公式，如：Durand公式利用天然砂進(jìn)行試驗(yàn)得到了摩阻計(jì)算公式；Newitt模型認(rèn)為除了水和管道壁會(huì)產(chǎn)生摩擦外，固體顆粒也會(huì)和管道壁產(chǎn)生摩擦從而造成摩阻損失；Wilson基于力平衡理論提出了顆粒漿體的兩層模型；白曉寧等[34]基于大量數(shù)據(jù)分析提出了漿體阻力損失計(jì)算模型；許振良[35]提出用清水代替漿體研究水平管道的摩阻損失；孫琪[36]基于兩層理論從動(dòng)量交換角度出發(fā)，采用等效模型，提出了伴隨滑動(dòng)床粗煤漿體摩阻損失的計(jì)算模型。

3.2 輸送不穩(wěn)定性

正常情況下漿體管道的全部管段都應(yīng)該是滿管填充狀態(tài)，但管道在翻越陡坡或傾斜敷設(shè)時(shí)，液體在到達(dá)峰值點(diǎn)后還會(huì)繼續(xù)流動(dòng)，導(dǎo)致垂直方向上管道出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)引發(fā)水擊、負(fù)壓、氣蝕等問題。不滿流往往存在于翻越點(diǎn)(將液體輸送至某一峰值點(diǎn)所需壓力比輸送至終點(diǎn)壓力大時(shí)的點(diǎn))前后管段內(nèi)，找到翻越點(diǎn)即能夠找到不滿流分布情況。

管道形成不滿流時(shí)，空穴管段前后的壓強(qiáng)不同，空穴之后的壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)而形成負(fù)壓，由于液體的連續(xù)性導(dǎo)致負(fù)壓現(xiàn)象會(huì)向后傳遞；管道長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，同時(shí)負(fù)壓也是導(dǎo)致水錘現(xiàn)象的主要原因。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)避免長(zhǎng)期負(fù)壓運(yùn)行，通過傳感器測(cè)定負(fù)壓波傳導(dǎo)時(shí)間可定位管道泄漏點(diǎn)。

水擊現(xiàn)象又稱水錘現(xiàn)象，是管道內(nèi)液體流速和壓強(qiáng)突然變化所致。對(duì)于漿體管道在地勢(shì)變化較大的地段，管道內(nèi)液體流速、加速度、壓強(qiáng)都會(huì)發(fā)生驟變，從而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。而水錘現(xiàn)象分為無水柱分離水錘和斷流彌合水錘[37]，前者的形成不會(huì)出現(xiàn)斷流，而后者因?yàn)樵诠艿婪妩c(diǎn)處由于閥門關(guān)閉導(dǎo)致部分液體無法回流從而形成空穴，而再次開啟閥門時(shí)兩股水流會(huì)發(fā)生劇烈沖擊。水錘現(xiàn)象會(huì)引起管道振動(dòng)，嚴(yán)重影響管道系統(tǒng)中其他設(shè)備的運(yùn)行，甚至導(dǎo)致閥門失靈、管道破裂等事故。

管道不滿流經(jīng)常會(huì)伴隨氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，因?yàn)橐后w在高速環(huán)境下或者壓力變化的條件下長(zhǎng)期與金屬接觸，導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)類似腐蝕的空洞侵蝕現(xiàn)象。不滿流管道中，當(dāng)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象時(shí)流體瞬間速度和壓力變化非常大，管道內(nèi)壁在長(zhǎng)期磨損中會(huì)逐漸出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。

3.3 臨界速度

漿體管道中固體和液體之間存在能量轉(zhuǎn)化等復(fù)雜作用，許多學(xué)者通過研究得到了一些計(jì)算模型，但基本都是建立在特定工況下。臨界速度為漿體管道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，學(xué)者對(duì)于其定義也不完全相同。如：K?KPINAR等[38]提出了一種預(yù)測(cè)水平漿體管道臨界速度的經(jīng)驗(yàn)公式，討論了固體顆粒濃度對(duì)沉降速度的影響；DORON等[39]通過小規(guī)模試驗(yàn)確定了大顆粒物理特性對(duì)水平管道輸送的影響，用不同尺寸和密度的氧化鋁和玻璃校準(zhǔn)球進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)混合速度小于臨界速度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)靜止床層流動(dòng)狀態(tài)，該層上方出現(xiàn)致密球?qū)樱瑝航德陆?，?dāng)混合速度大于臨界速度時(shí)，粒子開始處于懸浮狀態(tài)，在臨界速度附近出現(xiàn)具有緊湊移動(dòng)床的單獨(dú)流動(dòng)狀態(tài)；張煥成[40]分析了漿體管道中固-液兩相流的運(yùn)動(dòng)特性，將其劃分為沉降性漿體和非沉降性漿體，從動(dòng)量入手建立了具有普適性的沉降性漿體流速分布模型；豐慶平[41]對(duì)鋁土礦漿管道運(yùn)輸特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為臨界速度應(yīng)采用淤積臨界速度；孫琪[36]認(rèn)為臨界速度是指當(dāng)固體顆粒由沉積狀態(tài)慢慢滑動(dòng)加速，直至所有固體顆粒全部浮起來時(shí)的最低速度。

4 漿體管道發(fā)展趨勢(shì)

隨著漿體輸送技術(shù)和裝備的發(fā)展，長(zhǎng)距離管道將向大口徑、高壓力、高鋼級(jí)和智能化方向發(fā)展，漿體管道的敷設(shè)工藝技術(shù)水平將大幅提升，敷設(shè)成本也將更低。

隨著新材料和表面技術(shù)的發(fā)展，漿體管道的耐磨性能和抗腐蝕能力進(jìn)一步提升，同時(shí)管道本體缺陷的力學(xué)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)；檢測(cè)技術(shù)、評(píng)價(jià)方法、大數(shù)據(jù)、信息化需要高度融合，結(jié)合漿體管道智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的實(shí)時(shí)預(yù)警和維護(hù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的管道監(jiān)測(cè)技術(shù)、工藝智能優(yōu)化與控制，將為管道輸送安全提供保障；自動(dòng)化、集成化、綠色化的漿體管道裝備也將為管道輸送保駕護(hù)航。