一种泥浆管道输送的振动流化减阻装置

本发明涉及水利工程，具体地，涉及一种泥浆管道输送的振动流化减阻装置。

背景技术：

1、为提高我国的水资源保护与环境生态质量，我国每年需要开展巨量的疏浚业务，如港池和航道的开挖与维护性疏浚，临海工业园区、人工岛、旅游生态胜地的兴建以及为维持水库库容和安全性开展的疏浚等。近年来，全球的年均疏浚量高达几十亿立方，因此而产生的经济总量达上百亿美元，而我国疏浚市场规模在2013年已达33.43亿欧元，到2017年已经成为世界第一疏浚大国，年疏浚量超过10亿立方米，疏浚行业的市场规模达800亿元。对于如此巨大的经济体量，每提高1％的生产效率可带来巨大社会、经济效益。

2、高浓度泥浆的管道输送是疏浚工程中疏浚物的一种主要输送方式。纵观这些疏浚业务，90％以上大型疏浚工程都是通过绞吸挖泥船或耙吸挖泥船进行开挖，然后通过管道将疏浚泥浆输送到目的地。泥浆管道输送系统是挖泥船的主要能耗部分，以绞吸挖泥船为例，在需要泥浆远距离输送时，通常泥浆管道输送系统耗能可达到整个绞吸挖泥船所消耗总能量的80％，大型绞吸挖泥船的泥浆管道输送系统的能耗可达总能耗的85％以上。在泥浆输送过程中，泥沙颗粒由于其重力作用而逐渐分层向管道底部沉积，导致管道输送阻力增大，严重时甚至会造成堵管等问题，迫使挖泥船必须停工进行清管，严重制约疏浚的生产效率。因此，提出相应的泥浆管道输送减阻增效方法，节约其能耗、提高输送效率是疏浚行业发展的需求，具有十分重要的现实意义和市场价值。

3、现有管道输送减阻技术主要有两种。一是向管道内掺混其他介质，形成润滑层，二是改变管壁材质，减小管壁粗糙度，从而减小管道输送阻力。但这些方法一般成本较高，且减阻效果有限，现有技术和产品对输送阻力降低约10％，基本已达上限。

4、经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为：cn201611078180，专利名称为：一种管道加气减阻输送泥浆装置，该专利包括：外管壁、内管壁、高压气道、高频振动器、气膜发生道和高压空气入口，外管壁和内管壁之间为高压气道，高压气道内设有高频振动器，内管壁上设有气膜发生道，高压空气入口与高压气道连接。该装置通过形成气膜达到了降低泥浆在管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损失的效果。其主要不足之处在于：1)对空气依赖性强，工作环境受限，对水下作业适应能力低下；2)气膜发生道容易形成泥浆倒灌，阻碍空气输送和气膜的形成，降低减阻效果；3)持续高压供气以形成气膜悬浮泥浆能耗大，输泥成本增加。

5、中国专利申请号为：cn201110084475，专利名称为：一种剩余污泥管道输送的减阻方法，该专利以滑石粉或粉状锅炉灰等粉末状不溶性固体颗粒为污泥管道输送减阻剂，将其投加于待输送的剩余污泥形成均一混合体，使减阻剂中含有的粉末状颗粒掺杂到污泥固体颗粒之间，拓宽剩余污泥中固体颗粒的粒径级配，减小污泥颗粒之间的相互碰撞摩擦，同时增加黏性底层的厚度，进而减小剩余污泥的管道输送过程的流动阻力。其主要不足之处在于：1)仅降低了输泥过程中污泥内部的摩擦，未降低泥浆与输泥管之间的阻力，减阻效果有限；2)仅适用于小规模输泥工程，减阻的经济效益有限。

6、中国专利申请号为：cn202010236653，专利名称为：一种机械脱水污泥油膜减阻管道输送装置及其使用方法，该专利包括油膜发生器、供油系统、供泥系统、干燥系统和控制系统。与现有技术相比，该发明在输送管道的内管壁与机械脱水污泥的外表面形成环形油膜边界层，将机械脱水污泥与输送管道内管壁隔开，从而减小机械脱水污泥的管道输送沿程阻力，提高机械脱水污泥管道输送系统的泵送能力。其主要不足之处在于：1)油膜的循环利用水平低，造成输泥成本增加，不适用于大规模输泥工程；2)对于高含水率泥浆的输运，烘干时间长，运输的时间和经济成本高；3)这种管壁处注料减阻法可能在长距离的大型疏浚工程上难以实施。

7、申请公开号为cn107044146a的中国发明专利，公开一种管道输送泥浆装置，包括外管道、与所述外管道同心布置的内管道及开设在所述外管道上的进气口，所述外管道与所述内管道之间的间隙形成为高压气道；所述高压气道内且位于所述进气口侧设置有若干个高频振动器，所述内管道上且位于所述进气口侧开有与所述高压气道连通的高压气孔；每个所述高频振动器包括一对振动支架、振动器轴及若干个叶片，以及通过振动弹簧设置在每个叶片顶部的振动钢球。该专利的主要不足之处在于：1)其减阻能力有限，通过气体带动钢球敲打管壁的振动方式，振幅大、频率低，振动作用仅可起到振松管壁附着泥沙的效果，无法流化输送中的泥浆，起到减小粘度，降低输送阻力的效果，其减阻效率有限；2)对空气依赖性强，工作环境受限，除该装置外还需配备高压气泵，工作成本高，实施较难；3)通过高压气孔向管内掺气输送的方式是否有利于浆体管道输送的减阻，目前尚未达成统一的认识，在部分试验中，掺气输送的方式反而会造成阻力升高，而且操作不当很容易造成泥浆堵塞高压气孔，甚至反向管道间的间隙，其减阻效果难以稳定实现。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种泥浆管道输送的振动流化减阻装置。

2、根据本发明的一个方面，提供一种泥浆管道输送的振动流化减阻装置，该装置包括：

3、第一测量管段，用于测量减阻前管内泥浆的输送参数；

4、第一减振管段，一端与所述第一测量管段连接，用于消减泥浆在减阻前的振动；

5、减阻管段，一端与所述第一减振管段的另一端连接；

6、振动单元，设于所述减阻管段上，用于提供泥浆输送减阻的动力来源；所述减阻管段传递所述振动单元产生的振动应力波，使流经所述减阻管段内的泥浆在振动应力波作用下发生流化；

7、第二减振管段，一端与所述减阻管段的另一端连接，用于消减泥浆在减阻后的振动；

8、第二测量管段，一端与所述第二减振管段的另一端连接，用于测量减阻后管内泥浆的输送参数；

9、控制器，分别与所述第一测量管段、所述第二测量管段和所述振动单元连接；所述控制器根据减阻前和减阻后管内泥浆的输送参数评估减阻效率，并根据减阻效率评估结果实时调整所述振动单元的运行参数。

10、进一步地，所述振动单元安装于所述减阻管段的外壁，所述振动单元的数量为多个。

11、进一步地，多个所述振动单元于所述减阻管段的外壁轴向对称布置。

12、进一步地，多个所述振动单元均匀环绕分布于所述减阻管段的外壁。

13、进一步地，所述第一测量管段和所述第二测量管段的底部均设有压力传感器和浓度计，所述第一测量管段的上游端还设有流量计；所述输送参数包括减阻前的压力、浓度和流量以及减阻后的压力和浓度。

14、进一步地，当减阻率小于预设减阻率时，所述控制器基于预先建立的输送阻力减小率与泥浆浓度、输送速度、泥浆粒径、振动频率的关系式，并根据泥浆浓度、泥浆粒径和流量，实时调整所述振动单元的运行功率，使所述振动单元始终保持在可达到预设减阻率的振动频率下运行。

15、进一步地，所述控制器通过信号线分别与所述振动单元、所述第一测量管段和所述第二测量管段连接。

16、进一步地，所述减阻管段的两端通过法兰分别与所述第一减振管段和所述第二减振管段连接。

17、进一步地，所述第一减振管段的一端通过第一法兰与所述第一测量管段连接；所述第二测量管段的一端通过第二法兰与所述第二减振管段的另一端连接。

18、与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

19、1、本发明利用同步振动的原理，利用振动单元使减阻管段产生高频谐振动，振动应力波通过减阻管段传递到管内泥浆，诱发管内泥浆流变，利用振动作用下泥浆的剪切变稀性，大幅降低泥浆颗粒间的粘结力，从而有效降低泥浆输送的阻力损失。

20、2、本发明使用振动流化减阻的方式，该方式基于泥沙流变学原理，开创性地从降低输送泥浆粘性的角度入手，充分利用了泥浆自身的剪切变稀特性，通过高频振动的剪切作用，快速且显著地降低了泥浆的粘性，从根源上降低了泥浆的输送阻力，解决了高浓度泥浆在管道中输运阻力大，泵送能量损耗高的问题，可显著减小泥浆管道输送的能耗，减小泥浆输送中的堵管风险，提高疏浚作业的生产效率。

21、3、本发明装置集成一体化，易安装、拆卸，能在不同待处理区域反复使用，操作简单，作业安全。