CN108414411B - 细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置与方法，监测装置安装在管道***的水平管段，监测管道外壁对称固接螺旋推进杆的定向与位移控制器支架、定向与位移控制器；螺旋推进杆旋入并通过定向与位移控制器与行进活塞接合，监测管道内部直径位置竖直固定刚性小管，刚性小管的管壁开缝，管缝与两活塞端部间距形成料浆内部出口。在管道直径方向上关键点位浓度监测，管道直径方向上浓度分布连续监测，管道断面上料浆浓度梯度监测。该装置刚性小管负压吸放料浆的方法监测管道断面上的浓度分布，研究分析细骨料充填料浆大直径管道输送浓度梯度特征，避免大直径管道输送堵管和严重磨损，提高大直径管道输送细骨料沉降性料浆的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及固液两相流大直径管道输送领域，具体为一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置与方法，适用于细粒级物料大直径管道水力输送的工矿企业和实验室，特别适用于细粒级全尾砂充填料浆大直径管道输送的金属矿山和实验室。
背景技术
管道输送是一种新型的物料运输方式，具有运输成本低、运距长、占地少、无污染、不受气候影响等优点，越来越广泛地应用于矿产、木料、化工产品等固体物料的输送，特别是在矿业工程领域，使用管道输送煤浆、矿浆、尾砂和充填料浆更为普遍。固体物料与运搬介质在管道中混合形成沉降性两相流，在管道输送的过程中存在浓度梯度，经常出现堵管、管道严重磨损甚至破裂的现象，导致输送中断，造成企业经济损失和资源浪费。
由于矿山企业精细化选矿的需要和生产规模的不断扩大，精矿产品的碎磨粒度越来越小，而输送管道直径越来越大，导致有用矿物与尾矿大直径管道输送的流动型态发生变化，降低了管道输送的稳定性。特别是我国金属矿山领域，金属矿产资源禀赋低，经过几十年的快速开发，原矿采出品位逐渐降低，磨矿粒度不断降低才能选出合格精矿，导致精矿粒度和尾矿粒度细，增加了输送困难；产出全尾砂与胶结剂、水配制成充填料浆在大直径管道中输送时，由于粒级组成、水化反应、流速等因素的影响，全尾砂充填料浆在管道断面上的浓度分布十分复杂且不易监测，导致管道堵管停车的故障时有发生。
充填料浆在管道中的流动型态是产生管道堵塞、磨损的根本原因，了解并控制沉降性浆体管道输送的浓度梯度是优化管流型态、提高输送稳定性的关键。细骨料沉降性料浆大直径管道输送是近年来我国工矿企业面临的一个技术难题，特别是金属矿山细粒全尾砂充填料浆大直径管道输送的工艺技术问题，由于缺乏有效的管道内浓度分布监测手段，管道失效事故风险高，且事故处理十分困难，严重影响工业生产。
发明内容
本发明的目的有两个，一是提供一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，二是提供一种用细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置监测大管道输送浓度梯度的方法，该装置通过输送管道内置引流刚性小管负压吸放料浆的方法监测管道断面上的浓度分布，研究分析细骨料充填料浆大直径管道输送浓度梯度特征，从而指导改变输送参数、优化流动型态，避免大直径管道输送堵管和严重磨损，提高大直径管道输送细尾砂充填料浆的稳定性和可靠性。
实现上述目的采用以下技术方案：
一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，监测装置安装在管道***的水平管段，用于料浆流动型态的浓度分布监测，所述的监测装置包括监测管道，还包括刚性小管、螺旋推进杆、定向与位移控制器、支架、行进活塞、抽出式气泵；所述的监测管道外壁对称固接螺旋推进杆的定向与位移控制器支架、定向与位移控制器；所述的螺旋推进杆旋入并通过定向与位移控制器与行进活塞接合，通过旋转螺旋推进杆手柄改变行进活塞在监测管道内部的位置，监测管道内部直径位置竖直固定刚性小管，行进活塞在刚性小管中移动，刚性小管的管壁开缝，管缝与两活塞端部间距形成料浆内部出口，刚性小管和定向与位移控制器轴线重合，刚性小管与监测管道接触部位用密封垫密封；行进活塞到达监测位置后，打开管道下方的抽出式气泵，监测部位的料浆在负压作用下通过内部出料口被引出监测管道外部，测试分析引出充填料浆的浓度。
作为优选，所述的刚性小管外径为监测管道内径的0.04倍，刚性小管内径大于等于3-4倍骨料颗粒直径，刚性小管所开缝隙宽度大于等于2.5-3.5倍骨料颗粒直径。
作为优选，所述的螺旋推进杆分为实心螺旋推进杆和空心螺旋推进杆，螺旋推进杆具有外螺纹，空心螺旋推进杆旋入并通过定向与位移控制器，与空心行进活塞螺旋接合；空心螺旋推进杆的空心部位为料浆流出通道，空心螺旋推进杆与料浆吸放塑料管连接，塑性管与抽出式气泵相连。
作为优选，监测管道外壁固接实心螺旋推进杆的定向与位移控制器支架和空心螺旋推进杆的定向与位移控制器支架，定向与位移控制器依次固定在位于监测管道两侧的定向与位移控制器支架上。
作为优选，所述的定向与位移控制器具有内螺纹，定向与位移控制器下口距离监测管道外壁的距离为1.1倍监测管道外径，定向与位移控制器内径为监测管道内径的0.04倍。
作为优选，所述的行进活塞分为实心行进活塞、空心行进活塞，实心行进活塞与空心行进活塞端部的距离大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径。
作为优选，实心行进活塞外径为监测管道内径的0.04倍，实心行进活塞长度为监测管道外径的1.1倍，端部螺旋接口内螺纹直径为监测管道内径的0.04倍。
作为优选，实心与空心螺纹推进杆外侧标注刻度线，实心螺纹推进杆长度为1.05倍监测管道外径，直径为监测管道内径的0.04倍，实心螺纹推进杆旋入推进定向与位移控制器后与实心行进活塞螺旋接合，实心螺纹推进杆与实心行进活塞的接合长度大于等于8mm；空心螺纹推进杆长度为1.05倍监测管道外径，直径为监测管道内径的0.04倍，空心螺纹推进杆旋入推进定向与位移控制器后与空心行进活塞螺旋接合，空心螺纹推进杆与空心行进活塞的接合长度大于等于8mm。
一种用细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置监测细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度的方法，具体监测的方法步骤如下：
（1）选择细尾砂充填料浆骨料及监测管道：细尾砂充填料浆骨料是直径小于等于2mm的尾砂，监测管道直径以大于等于200mm为宜；
（2）管道直径方向上关键点位浓度监测：实心行进活塞和空心行进活塞在径向上没有达到监测点位前二者端部紧密贴合，到达监测点位后下调空心行进活塞，保持实心行进活塞和空心行进活塞端部间距大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径，打开抽出式气泵，负压抽出关键点位料浆，待引流稳定时收集抽出的料浆，测试关键点位料浆浓度；
（3）管道直径方向上浓度分布连续监测：实心行进活塞和空心行进活塞端部间距大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径，打开抽出式气泵，实心行进活塞和空心行进活塞同速同步向下移动，吸出不同点位料浆，引流稳定后取样测试不同点位料浆浓度，得到径向浓度分布曲线，进而分析料浆在大直径管道内浓度梯度特征；
（4）管道断面上料浆浓度梯度监测：以30°的角度周向转动监测管道，得到0°、30°、60°、90°方向径向浓度分布曲线，根据管道内流体形态左右对称的特征，建立细尾砂充填料浆大直径管道输送浓度梯度三维模型。
作为优选，所述的实心行进活塞与空心行进活塞端部的间距大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径。
采用上述技术方案，本装置在监测管道内部直径位置竖直方向固定含缝刚性小管，监测管道外壁对称焊接螺旋推进杆定向与位移控制器，螺旋推进杆旋入并通过控制器与行进活塞接合，实现了管道直径方向上关键点位浓度监测，实现了管道直径方向上浓度分布连续监测，实现了管道断面上多角度浓度梯度监测。通过旋转螺旋推进杆手柄改变行进活塞在监测管道内部的位置，得到径向浓度分布曲线，建立细尾砂充填料浆大直径管道输送浓度梯度模型。该装置通过输送管道内置引流刚性小管负压吸放料浆的方法监测管道断面上的浓度分布，研究分析细骨料充填料浆大直径管道输送浓度梯度特征，从而指导改变输送参数、优化流动型态，避免大直径管道输送堵管和严重磨损，提高大直径管道输送细骨料沉降性料浆的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明监测装置的主视结构示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是图1的Ⅱ-Ⅱ剖视图。
图4是图1的Ⅲ-Ⅲ剖视图。
图5是图1Ⅳ-Ⅳ剖视图。
图6是图1Ⅴ-Ⅴ剖视图。
图7是图1Ⅵ-Ⅵ剖视图。
图8是图1Ⅶ-ⅤⅦ剖视图。
图9是图1Ⅷ-Ⅷ剖视图。
图10是图1Ⅸ-Ⅸ剖视图。
图11是图1Ⅹ-Ⅹ剖视图。
图中标记：实心螺旋推进杆手柄1、实心螺旋推进杆2、实心推进杆定向与位移控制器3、定向与位移控制器固定支架4、实心行进活塞与推进杆螺旋接口5、实心行进活塞6、行进活塞密封塑胶皮7、橡胶密封垫8、监测管道9、内部料浆出口10、刚性小管11、空心行进活塞12、空心行进活塞与推进杆螺旋接口13、空心螺旋推进杆14、定向与位移控制器支架15、空心推进杆定向与位移控制器16、空心螺旋推进杆手柄17、抽出式气泵18。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
需要说明的是：本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，见图1、图2，包括监测管道，由刚性小管、螺旋推进杆、定向与位移控制器、支架、行进活塞、抽出式气泵等组成细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，该监测装置安装在管道***中的水平管段，用于料浆流动型态的浓度分布监测。
本发明的螺旋推进杆分为实心螺旋推进杆2和空心螺旋推进杆14，见图1、图2和图3，实心螺纹推进杆2为外螺纹实心杆，外侧标注推进尺寸刻度；见图1、图2和图10，空心螺纹推进杆14为外螺纹空心杆，外侧标注推进尺寸刻度。
见图1、图2和图,9，活塞分为实心行进活塞6、空心行进活塞12，行进活塞由韧性材料制作，长度均为监测管道外径的1.1倍。
实心螺纹推进杆2与实心行进活塞6接合长度大于等于8mm，空心螺纹推进杆与空心行进活塞接合长度大于等于8mm，空心螺纹推进杆14与空心行进活塞12内径相等。
见图1、图2、图4、图6和图8、图9、图11，在监测管道9内部直径位置竖直固定含缝刚性小管11，用橡胶密封垫8密封刚性小管11与监测管道管壁的接合部位。监测管道外壁对称固接定向与位移控制器支架4与15，在监测管道9两侧的定向与位移控制器支架上对称固定定向与位移控制器3和16，定向与位移控制器为固定的内螺纹钢管。实心螺旋推进杆2旋入并通过定向与位移控制器3与实心行进活塞接合，实心行进活塞6通过内螺纹与实心推进杆2端部在螺旋接口5处接合，旋转实心推进杆手柄1，推进实心行进活塞6进入内置的含缝刚性小管11。空心螺旋推进杆16旋入并通过定向与位移控制器3，空心行进活塞12通过内螺纹与空心推进杆16在螺旋接口13处接合，旋转空心推进手柄17，推进空心行进活塞12进入内置的含缝刚性小管11。实心行进活塞6和空心行进活塞12均用韧性较好的材料制作，活塞与含缝刚性小管11接触部位用光滑度较好的塑性密封胶皮7，便于活塞在刚性小管内上下移动和密封。
本发明监测管道9的直径以大于等于200mm为宜，料浆骨料的最大粒度小于等于2mm，内置含缝刚性小管11外径为监测管道内径的0.04倍，刚性小管11的内径大于等于骨料最大颗粒直径的3-4倍，刚性小管11的缝隙宽度大于等于骨料最大颗粒直径的2.5-3.5倍。实心螺旋推进杆2、空心螺旋推进杆14、定向与位移控制器3与16的外径均为监测管道内径的0.04倍，实心与空心螺旋推进杆长度均为监测管道9外径的1.05倍，空心螺旋推进杆14的内径的3-4倍料浆最大颗粒直径。实心行进活塞6和空心行进活塞12的直径均为监测管道内径的0.04倍，长度均为监测管道9外径的1.1倍，端部螺旋接口内螺纹直径为监测管道内径的0.04倍，端部螺旋接口外径为内螺纹直径的1.2倍。实心螺纹推进杆2与实心行进活塞6的接合长度大于等于8mm，空心螺纹推进杆14与空心行进活塞12的接合长度大于等于8mm。
本发明的检测方法：
本发明的料浆骨料为直径大于等于2mm的细骨料，监测管道直径以大于等于200mm为宜。
实心行进活塞6和空心行进活塞12到达监测位置后，监测管道整体接入输送管道***，空心螺旋推进杆手柄连接抽出式气泵18，待输送管道***内料浆流动稳定后，打开抽出式气泵，监测位置的料浆通过料浆出口10、空心行进活塞11、空心推进杆16和抽出式气泵18引流至监测管道外部收集，通过物理分析的方法测试分析监测位置的料浆浓度。
下旋实心推进杆手柄1和空心推进杆手柄17，保持实心行进活塞和空心行进活塞的间距大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径。改变管道内部监测位置至关键部位，实现管道径向上关键部位的浓度监测，以实现关键部位浓度分析；连续改变管道内部监测位置，实现管道直径上浓度梯度的连续监测，以实现管道径向浓度分布的曲线建模；监测一个径向浓度平面分布曲线后，以30°的角度等差多次周向旋转管道，重复径向上浓度梯度的连续监测，得到4条径向浓度分布曲线，根据管道内流体形态左右对称的特征，以实现大直径管道断面上充填料浆三维浓度梯度模型的建立与分析。
具体操作方法如下：
旋转实心螺旋推进杆手柄，向下推进实心行进活塞，同时使实心行进活塞进入管道内固定的含缝径向刚性小管，旋转空心螺旋推进杆手柄，向上推进空心行进活塞，使空心行进活塞进入监测管道内固定的含缝径向刚性小管，实心行进活塞与空心行进活塞端部的距离大于等于3-4倍骨料颗粒直径。
实心螺纹推进杆手柄1和空心螺纹推进杆手柄17同时操作，监测过程中实心行进活塞6和空心行进活塞12同时上移或下移，端部保持大于等于骨料最大颗粒直径的引流距离。活塞行进过程中抽出式气泵处于关闭状态，活塞停止行进时打开抽出式气泵，待引流稳定时收集引出的料浆进行监测部位的料浆浓度测定与分析。
实心螺纹推进杆手柄1和空心螺纹推进杆手柄17同时操作，监测过程中实心行进活塞6和空心行进活塞12同时上移或下移，端部保持大于等于4倍骨料最大颗粒直径的引流距离。活塞行进过程中抽出式气泵处于关闭状态，活塞停止行进时打开抽出式气泵，待引流稳定时收集引出的料浆进行监测部位的料浆浓度测定与分析。
本发明实心螺纹推进杆与实心行进活塞和空心螺纹推进杆与空心行进活塞有足够的接合长度，空心螺纹推进杆与空心行进活塞内径相等，实现了管道直径方向上关键点位浓度监测。实心行进活塞和空心行进活塞在径向上没有达到监测点位前二者端部紧密贴合，到达监测点位后下调空心行进活塞，使二者端部的距离大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径，打开抽出式气泵，负压吸出关键点位料浆，测试关键点位料浆浓度。实现了管道直径方向上浓度分布连续监测，实心行进活塞和空心行进活塞端部保持大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径的间距，打开抽出式气泵，实心行进活塞和空心行进活塞同速同步向下移动，吸出不同点位料浆，引流稳定时测试不同点位料浆浓度，得到径向浓度分布曲线，进而分析料浆在大直径管道内浓度梯度特征。以30°的角度周向转动监测管道，得到0°、30°、60°、90°方向径向浓度分布曲线，根据管道内流体形态左右对称的特征，建立细尾砂充填料浆大直径管道输送浓度梯度三维模型。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，监测装置安装在管道***的水平管段，用于料浆流动型态的浓度分布监测，所述的监测装置包括监测管道，其特征在于，还包括刚性小管、螺旋推进杆、定向与位移控制器、支架、行进活塞、抽出式气泵；所述的监测管道外壁对称固接螺旋推进杆的定向与位移控制器支架、定向与位移控制器；所述的螺旋推进杆旋入并通过定向与位移控制器与行进活塞接合，通过旋转螺旋推进杆手柄改变行进活塞在监测管道内部的位置，监测管道内部直径位置竖直固定有刚性小管，刚性小管的管壁开缝，行进活塞在刚性小管中移动，管缝与两活塞端部间距形成内部出料口，刚性小管与定向与位移控制器轴线重合，刚性小管与监测管道接触部位用密封垫密封；行进活塞到达监测位置后，打开管道下方的抽出式气泵，监测部位的料浆在负压作用下通过内部出料口被引出监测管道外部，测试分析引出充填料浆的浓度。
2.根据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，所述的刚性小管外径为监测管道内径的0.04倍，刚性小管内径大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径，刚性小管所开缝隙宽度大于等于2.5-3.5倍骨料颗粒直径。
3.根据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，所述的螺旋推进杆有外螺纹，分为实心螺旋推进杆和空心螺旋推进杆，空心螺旋推进杆旋入并通过定向与位移控制器，与空心行进活塞接合；空心螺旋推进杆的空心部位为料浆流出通道，空心螺旋推进杆与料浆吸放塑料管连接，塑性管与抽出式气泵相连。
4.根据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，监测管道外壁对称固接实心螺旋推进杆的定向与位移控制器支架和空心螺旋推进杆的定向与位移控制器支架，定向与位移控制器依次固定在位于监测管道两侧的定向与位移控制器支架上。
5.根据权利要求1或4所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，所述的定向与位移控制器具有内螺纹，定向与位移控制器下口距离监测管道外壁的距离为1.1倍监测管道外径，定向与位移控制器内径为监测管道内径的0.04倍。
6.据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，所述的行进活塞分为实心行进活塞、空心行进活塞，实心行进活塞与空心行进活塞端部的距离大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径。
7.根据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，实心行进活塞外径为监测管道内径的0.04倍，实心行进活塞长度大于等于监测管道外径的1.1倍，端部螺旋接口内螺纹直径为监测管道内径的0.04倍。
8.根据权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置，其特征在于，实心螺旋推进杆外侧标注刻度线，实心螺纹推进杆长度为1.05倍监测管道外径，直径为监测管道内径的0.04倍，实心螺纹推进杆旋入推进定向与位移控制器后与实心行进活塞螺旋接合，实心螺纹推进杆与实心行进活塞的接合长度大于等于8mm；空心螺旋推进杆外侧标注刻度线，空心螺纹推进杆长度为1.05倍监测管道外径，直径为监测管道内径的0.04倍，空心螺纹推进杆旋入推进定向与位移控制器后与空心行进活塞螺旋接合，空心螺纹推进杆与空心行进活塞的接合长度大于等于8mm。
9.一种用权利要求1所述的细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度监测装置监测细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度的方法，其特征在于，具体监测的方法步骤如下：
(1)选择细尾砂充填料浆骨料及监测管道：细尾砂充填料浆骨料是直径小于等于2mm的尾砂，监测管道直径大于等于200mm为宜；
(2)管道直径方向上关键点位浓度监测：实心行进活塞和空心行进活塞在径向上没有达到监测点位前二者端部紧密贴合，到达监测点位后下调空心行进活塞，保持实心行进活塞和空心行进活塞间距，打开抽出式气泵，负压抽出关键点位料浆，待引流稳定时收集抽出的料浆，测试关键点位料浆浓度；
(3)管道直径方向上浓度分布连续监测：实心行进活塞和空心行进活塞端部保持间距，间距大于等于3-4倍最大颗粒骨料直径；打开抽出式气泵，实心行进活塞和空心行进活塞同速同步向下移动，吸出不同点位料浆，引流稳定时测试不同点位料浆浓度，得到径向浓度分布曲线，进而分析料浆在大直径管道内浓度梯度特征；
(4)管道断面上料浆浓度梯度监测：以30°的角度周向转动监测管道，得到0°、30°、60°、90°方向径向浓度分布曲线，根据管道内流体形态左右对称的特征，建立细尾砂充填料浆大直径管道输送浓度梯度三维模型。
10.根据权利要求9所述的监测细尾砂充填料浆大管道输送浓度梯度的方法，其特征在于，所述的实心行进活塞与空心行进活塞端部的间距大于等于3-4倍骨料最大颗粒直径。
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