專利名稱：軟粘土及粘塑性物料管道輸送的減阻表面膜選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘塑性物料管道輸送，尤其是軟粘土的管道輸送技木。
背景技術(shù)：
流體減阻問(wèn)題自從Toms和Kramer先后發(fā)現(xiàn)高分子稀溶液或弾性材料護(hù)面都能實(shí)現(xiàn)粘性減阻以來(lái)，已經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)了，由于エ業(yè)生產(chǎn)中到處都存在粘塑性流體，而減阻技術(shù)又直接為節(jié)約能源、提高效率服務(wù)，因而倍受重視。近年來(lái)減阻研究取得了長(zhǎng)足發(fā)展，在國(guó)際上已召開(kāi)多次有關(guān)減阻的學(xué)術(shù)會(huì)議，減阻已發(fā)展成一門(mén)專門(mén)獨(dú)立學(xué)科。除航空、航海夕卜，管道輸送中開(kāi)展了大量減阻研究，以及在石油管道中除加熱降粘減阻外，還開(kāi)展了磁減阻、水環(huán)減阻等，而高濃度高粘度固液兩相流體減阻，近年來(lái)也進(jìn)行了一定的實(shí)驗(yàn)研究。例如在煤的液化技術(shù)中，在水煤漿中加入有機(jī)添加劑減阻或摻氣減阻；在封閉式采礦中對(duì)高濃度全尾礦砂邊壁加水減阻等等。有關(guān)高分子減阻和表面活性劑減阻的研究報(bào)道較多， 如 Virk P. S. (1971)，Den Toonder J. M. J.，et al (1997)，Warholic M. D.，et al (1999)，Sreenivasan, K. R. , et al (2000), Lee, D. , et al (2001) [17], Ilg, P. , et al (2002), MinT.，et al (2001, 2003), Taegee M.，et al (2003)等進(jìn)行了高分子添加劑在湍流流動(dòng)減阻中的應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn)研究，但是將表面膜減阻應(yīng)用到粘塑性物料輸送中，以及減阻表面膜選擇方法的研究，鮮見(jiàn)報(bào)道。陶松壘等提出表面膜減阻方法與粘塑性物料管道輸送技術(shù)(ZL20071026557.X)，采用在物料與管道間設(shè)置表面膜的被膜方法，仿生魚(yú)體表面膜、動(dòng)物腸道膜的表面膜減阻方法，一種輸料管道的內(nèi)壁降低壁摩擦力的表面處理方法。使物料的內(nèi)摩擦カ大大高于管壁摩擦力，把降低壁摩擦力問(wèn)題突顯成為管道輸送系統(tǒng)中的主要矛盾，在管道輸送中其他很多復(fù)雜的問(wèn)題，都降為可以忽略的次要矛盾。一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化了，只是著重研究降低壁摩擦カ問(wèn)題，克服軟粘物料與管道內(nèi)壁的粘滯性，粘塑性物料遠(yuǎn)距離管道輸送的難題就得以解決。由于輸料管道為高能表面，管壁的表面能很大，于是管壁與物料的間粘附功也很大，物料在管壁上的粘附作用カ很強(qiáng)，造成輸料管道阻力很大。當(dāng)輸料管道進(jìn)行處理，在管壁上増加吸附層，并加入表面活性剤。在輸送過(guò)程中表面活性劑進(jìn)入并吸附于管道的內(nèi)壁上，從而形成ー層牢固的表面膜。使得管壁與物料之間墊有一層懸浮膜，使物料與管道相隔離，避免物料與管道之間的直接摩擦，以減少粘塑性物料擾動(dòng)及與管壁粘滯阻力，同時(shí)也減少了管道的磨損。如輸送軟粘土?xí)r加入的表面活性劑和水，就可以在管壁上鋪展，表面活性劑就以疏水的碳?xì)滏溛接诠鼙谏?，帶有ー層表面膜的極性基伸入管內(nèi)吸附在管壁上，將原來(lái)高能表面的管壁被表面膜覆蓋，此時(shí)軟粘土的移動(dòng)在表面膜上進(jìn)行，其粘附カ降低。使軟粘土在低能耗的前提下進(jìn)行輸送，實(shí)現(xiàn)了軟粘土的遠(yuǎn)距離管道輸送。表面膜的選擇是遠(yuǎn)距離輸送粘塑性物料的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)輸送物料選擇不同的表面膜，對(duì)不同配方的表面膜的減阻效果進(jìn)行試驗(yàn)至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決這ー問(wèn)題。發(fā)明人進(jìn)行了多方位的研究。在浙江省自然科學(xué)基金“粘塑性泥土管道輸送新方法及機(jī)理的研究”(M503164)，“軟粘土——粘塑性物料管道柱流輸送特性研究” (Y505041)，杭州重點(diǎn)科技創(chuàng)新基金“環(huán)保型清淤輸泥設(shè)備”(20051321B13)，省教育廳重點(diǎn)科研基金“賓哈姆體管道輸送新方法暨環(huán)保型清淤輸泥設(shè)備的研究”(20010430)的資助下。課題組在前期研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了粘塑性物料管道輸送的減阻表面膜選擇方法。本發(fā)明采用表面膜選擇測(cè)試儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較方案，其特征是第I步固定試板把與輸送管道內(nèi)壁相同的材料做成試板，固定于測(cè)試儀的動(dòng)板上，并調(diào)整至水平；第2步噴涂表面膜在試板上劃分成幾個(gè)區(qū)域，并分別把幾種表面膜液噴涂于試板的各自區(qū)域上；
第3步按下式確定試件的重量及試件與試板的接觸面積
I ,W = — nd pi
4
3S = -ndl
5W-試件的重量，單位g，S-試件與試板的接觸面積，單位cm2，d-輸送管道的內(nèi)徑，單位cm，P -輸送物料的密度，單位g/cm3，I-輸送管道的內(nèi)壁取值長(zhǎng)度，單位cm ;第4步放上試件把需輸送的物料裝滿按上式制作的容器中作為試件，并把試件倒置于試板的各自區(qū)域中；第5步啟動(dòng)測(cè)試儀使動(dòng)板的一端緩慢升高，當(dāng)試件開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)停止上升，以最先滑動(dòng)區(qū)域上的表面膜為佳，這樣反復(fù)多次驗(yàn)證，排除偶然性；第6步振動(dòng)比較選擇不同頻率與振幅進(jìn)行上述測(cè)試，這樣重復(fù)多次，紀(jì)錄讀數(shù)，取平均值，比較得出該物料管道輸送的最佳表面膜和相關(guān)參數(shù)。為了使試驗(yàn)更接近實(shí)際的輸送狀態(tài)，做實(shí)驗(yàn)的試板可采用與輸送管道內(nèi)壁相同材料和同樣表面處理的平面板，也可采用與輸送管道曲率相同的曲板，或直接采用輸送管道。為了使試驗(yàn)的時(shí)間和場(chǎng)景的一致性，把試板上劃分成幾個(gè)區(qū)域，或多個(gè)曲板固定于測(cè)試儀的動(dòng)板上，把重量相等的多個(gè)試件同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與比較。為了模擬工程中的實(shí)際情況，在表面膜選擇測(cè)試儀上設(shè)置可調(diào)頻率與振幅的振動(dòng)器。選擇不同頻率與振幅進(jìn)行測(cè)試，即可找出最有效的頻率與振幅范圍。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)I.由于采用了表面膜選擇測(cè)試儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較方案，表面膜減阻效果的比較，就變得輕松、方便、準(zhǔn)確。2.由此選擇出特定物料的最佳表面膜，降低壁摩擦力，不但使管道輸送的沿程阻力小，能耗省，而且減少管道磨損和物料的擾動(dòng)和破損。使輸量更大，輸距更遠(yuǎn)，能耗更省。3.原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。在管道輸送中有很多復(fù)雜力學(xué)的問(wèn)題，本發(fā)明抓住降低壁摩擦力這個(gè)管道輸送系統(tǒng)中的主要矛盾，忽略了次要矛盾。只是著重研究降低壁摩擦カ問(wèn)題，克服軟粘物料與管道內(nèi)壁的粘滯性，一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化了。不但可得出最佳的表面膜層，而且還可以計(jì)算出管道輸送的相關(guān)參數(shù)。4.由于模擬工程中的實(shí)際情況，采用與輸送管道曲率相同的曲板，或直接用實(shí)際工程中的輸送管道做成試板，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際工程中的エ況，具有較好的指導(dǎo)性。


圖I為表面膜選擇測(cè)試儀主視圖。圖2為試板上的試件受力分析圖。圖3為曲面試板截面圖。表面膜層(I)、試板(2)、試件(3)、絞鏈(4)、刻度桿(5)、頂板￠)、液壓操縱桿(7)、液壓缸(8)、頂桿(9)、水平儀(10)、振動(dòng)器(11)、動(dòng)板(12)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)板(13)、調(diào)節(jié)旋紐(14)、曲板(15)、圓形試件(16)、試件的重量(W)、試件對(duì)試板的正壓カ(N)、試件的下滑力(F)、試板與水平線的夾角(A)
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的說(shuō)明。 實(shí)施例I平面試板對(duì)軟粘土進(jìn)行表面膜選擇測(cè)試。土樣的物理力學(xué)指標(biāo)淤泥質(zhì)粘土、含水量為49.3%、土粒比重2. 73、孔隙比I.38、液限40.6%、塑限20. 1%、粘粒含量45%、滲透系數(shù)9. 69 X l(Tcm/s、壓縮系數(shù)O. 82MPa'固結(jié)系數(shù)2· 57X 10_3cm2/s、壓縮模量2. 5MPa、快剪凝聚カ11. 7kPa、快剪內(nèi)摩擦角7度、固快凝聚カ9. OkPa、固快內(nèi)摩擦角19度。如圖I所示，表面膜選擇測(cè)試儀包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置的動(dòng)板(12)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與動(dòng)板(12) —端連接的提升裝置，提升裝置采用液壓頂桿(9)方法，頂板(6)與動(dòng)板(12)由絞鏈(4)連接。在動(dòng)板(12)下設(shè)置ー個(gè)可調(diào)頻率與振幅的振動(dòng)器(11)。開(kāi)始工作時(shí)，先轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋紐(14)，看水平儀(10)，把實(shí)驗(yàn)臺(tái)板(13)調(diào)整到水平狀態(tài)；把預(yù)先處理好的試板(2)，固定于測(cè)試儀的動(dòng)板(12)上；在動(dòng)板(12)劃線分割成4個(gè)區(qū)域，并分別把水、泥漿水、潤(rùn)滑活性剤、發(fā)泡劑的混合物4種表面膜液噴涂在試板的各自區(qū)域上，形成表面膜層(I);計(jì)算出試件的重量及試件與試板的接觸面積，并按此設(shè)置試件的容器；把需輸送的軟粘土裝滿4個(gè)相同的容器，過(guò)電子秤，使每個(gè)試件(3)的重量相等，并把試件(3)倒置于試板(2)各個(gè)區(qū)域中；拔動(dòng)液壓操縱桿(7)液壓缸(8)上的頂桿(9)推動(dòng)頂板(6)帶動(dòng)動(dòng)板(12)的一端緩慢升高；每當(dāng)有試件(3)開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)動(dòng)板(12)停止上升，在刻度桿(5)紀(jì)錄讀數(shù)；啟動(dòng)振動(dòng)器(11)，選擇在不同頻率與不同振幅進(jìn)行上述測(cè)試，這樣重復(fù)多次，紀(jì)錄讀數(shù)。試驗(yàn)表明在相同的環(huán)境條件下，不同的表面膜層(I)的減阻效果不同，減阻效果從低到高依次為水、泥漿水、潤(rùn)滑活性剤、發(fā)泡劑的混合物。比較得出發(fā)泡劑的混合物是該淤泥質(zhì)粘土的最佳表面膜。實(shí)施例2曲面試板對(duì)軟粘土進(jìn)行表面膜選擇測(cè)試。如圖3所示，在動(dòng)板(12)上固定著3個(gè)曲面試板(15)，其曲率與輸送管道曲率相同，并且與輸送管道內(nèi)壁相同的材料并做同樣的表面處理。在各個(gè)曲面試板(15)上噴涂3種不同的表面膜液，形成表面膜層(I)，然后輕輕放上3個(gè)相同的圓形試件(16)。實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)施例I相同。這樣所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近與實(shí)際輸送中的エ況。如圖2所示，從表面膜選擇測(cè)試儀中，試件的重量(W)、試件與試板的接觸面積和動(dòng)板(12)尺寸已知，不但可用比較法得出最佳的表面膜層(I)，而且還可以計(jì)算出，試件對(duì) 試板的正壓カ(N)、試件的下滑力(F)、試板與水平線的夾角(A)、粘滯摩擦系數(shù)和物料和管道的壁摩擦カ等參數(shù)。
權(quán)利要求
1.粘塑性物料管道輸送的減阻表面膜選擇方法，采用表面膜選擇測(cè)試儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較，其特征是 第I步固定試板把與輸送管道內(nèi)壁相同的材料做成試板，固定于測(cè)試儀的動(dòng)板上，并調(diào)整至水平； 第2步噴涂表面膜在試板上劃分成幾個(gè)區(qū)域，并分別把幾種表面膜液噴涂于試板的各自區(qū)域上； 第3步按下式確定試件的重量及試件與試板的接觸面積
2.如權(quán)利要求I所述的粘塑性物料管道輸送的減阻表面膜選擇方法，其特征是試板可采用與輸送管道內(nèi)壁相同材料和同樣表面處理的平面板，也可采用與輸送管道曲率相同的曲板，或直接采用輸送管道。
全文摘要
軟粘土——粘塑性物料管道輸送的減阻表面膜選擇方法，涉及粘塑性物料管道輸送技術(shù)。包括采用與輸送管道內(nèi)壁相同的材料并做同樣的表面處理的試板，表面膜選擇測(cè)試儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較，確定試件的重量和試件與試板的接觸面積的計(jì)算方法。使得表面膜減阻效果的比較，變得輕松、方便、準(zhǔn)確。不但可得出最佳的表面膜層，而且還可以計(jì)算出管道輸送相關(guān)參數(shù)，使輸量更大，輸距更遠(yuǎn)，能耗更省。具有原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便的特點(diǎn)。適用于各種粘塑性物料減阻表面膜的選擇測(cè)試。
文檔編號(hào)F17D1/16GK102840444SQ20121007609
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者陶松壘, 李未材, 陶鈞炳, 朱婉珍 申請(qǐng)人:浙江科技學(xué)院