基质管路压力降的计算与分析

1、基质管路压力降的计算与分析乳胶基质是一种氧化剂水相溶液与复合油相溶液在乳化剂作用下形成的乳胶体。它属于典型的非牛顿流体，其切应力与变形速率不成正比。乳胶基质的粘度一般较大，且随着工艺温度、水油相配比的改变而明显变化。乳胶基质的流变特性对于乳胶基质的泵送、冷却等设备的设计和制造有着重要的意义，对于乳化炸药的安全生产有着极为重要的价值。对乳胶基质在输送管内的压降进行分析研究，得出管路压降的计算方法，既有利于指导设计人员正确地设计管路输送系统和泵选型，又有利于工作人员正确地认知管路压力形成的原因和机理，消除不必要的担忧，具有十分重要的实际意义。一、宾汉流体（Bingham）的数据模型宾汉流体也称宾汉

2、塑性流体，是非牛顿流体的一种，在低应力下，它表现为刚性体，但在高应力下，它会像粘性流体一样流动，且其流动性为线性。当作用在液体上的剪应力达到最小剪应力时，这些流体便处于流动状态。它乳胶基质的各项特性与宾汉流体相吻合，因而它也属于宾汉流体。宾汉流体的流变方程为：（1）剪切应力，Pa；屈服剪切应力，Pa；塑性粘度或结构粘度，Pa.s；剪切应变速率，。由于乳胶基质内部结构较强，量值较大，其流变曲线接近于Bingham体，因而可用Bingham模型来研究乳胶基质的流变性能。二、乳胶基质在直管中输送的压力损失分析可得水平管道压力损失为：（2）垂直管道压力损失为：（3）水平管道沿程压降，Pa；图1 倾斜直

3、管内乳胶基质单元体的受力分析垂直管道沿程压降，Pa；管道长度，m；流体的速度，m/s；管道直径，m；乳胶基质的密度，kg/m3。三、乳胶基质在锥形管中的压力损失分析图2 锥形输送管内乳胶基质单元体的受力分析设有一锥形管，其轴线与水平面夹角为，它的小端高于大端，大端半径为，小端半径为。乳胶基质从大端流向小端，它通过大端时的流速为，通过小端时的流速为。锥形管段乳胶基质大端和小端的轴向压力分别为和。在锥形管段乳胶基质中，取一个厚度为的短圆锥单元体，它到锥形管大端的距离为，它的平均半径为，锥形管的半锥角为，锥管的长度为l，如图2所示。锥形输送管引起的压力损失(对一般的锥形管，)为：四、乳化炸药静态混合

4、器的压降计算SV型静态混合器、SX型静态混合器、SK型静态混合器是目前用于乳化炸药生产线上的常用混合器。SV型静态混合器主要用于基质管路，承担基质精乳的作用，也称精乳器。SV型静态混合器是由若干以不同方式排列的波状薄片组成的叠层单元放在空圆管中构成的，每相邻的单元之间成90交叉。各叠层单元间的波状薄片也以一定的角度（90）相接。SV型静态混合器用于基质精乳时能使基质分散到12m。图3即为乳化炸药静态混合器结构，它一般由两个叠层单元组成。混合器正面混合器侧面图3 SV型静态混合器SX型静态混合器与SK型静态混合器组合使用于乳胶管路，用于基质与发泡剂的静态敏化，也称静态敏化器。SX型静态混合器的内

5、部单元由交叉的横条按一定规律组成许多X型单元，横条与管壳的轴线成45，如图4所示。它适用于中高粘度介质的混合，处理量较大时效果更佳。SX型静态混合器用于静态混合时能使介质分散到25m。图4 SX型静态混合器SK型静态混合器称单螺旋形静态混合器，由单孔道左、右扭转的螺旋叶片单元组焊而成。前一个单元的导向边和与后一个单元的拖曳边互成90，各单元相互串联。当介质通过这些单元组件时，被不断地分成若干层，最终达到混合的目的，如图5所示。SK型静态混合器用于静态混合时能使介质分散到510m。图5 SK型静态混合器乳胶基质流经静态混合器截面时，流动状态非常复杂，同时乳胶基质为不可压缩流体。因此，根据达西公式

6、可推导出静态混合器产生的压力降计算公式：（5）式中， 压力降（Pa）；流体流动速度（m/s）；连续相密度（kg/m3）；L混合器长度（m）；混合单元的直径（m）；摩擦系数，与混合器的几何尺寸及流体的雷诺数有关，由试验测定。上述计算公式同时适应于SV型静态混合器、SX型静态混合器、SK型静态混合器。经过试验测定和生产数据校对，SV型混合器1芯子的摩擦系数f为75，1.5芯子的摩擦系数为120；SX型混合器的摩擦系数f为26；SK型混合器的摩擦系数f为13。五、阀门、弯管压力损失的计算对阀门、弯管的压力损失，通常用当量长度法来计算。将阀门和管件折算为等效的直管长度，该长度称为阀门和管件的当量长度。

7、计算管道压力降时，先计算出与阀门相匹配管道的单位长度压降，再用当量长度来计算阀门和管件的压降。查手册，可得阀门和管件的当量直管长度如下所示（：当量长度，D：与阀门相匹配的管道直径）：（1）球阀：（2）蝶阀：（3）三通球阀：180通时，； 90通时，。（4）90弯头：标准型弯头，； 法兰连接弯头或焊接弯头，当量长度如表1所示。表1 法兰弯头、焊接弯头压降当量长度表110D1030D212D1234D313D1438D414D1642D617D1846D824D2050D六、管道压降的案例计算为验证计算方法的正确性，将上述方法运用于广东宏大增化乳胶基质管路的管内压降计算，并与现场测试结果进行了对比

8、。如图6所示，该乳胶基质管路主要由DN100蝶阀、DN100-DN50变径锥管、DN50直管、DN50弯管、DN50三通阀、SV型静态混合器、DN50蝶阀等组件组成。乳胶基质生产时的工艺温度为90左右，密度为1.36103 kg/m3，直管内径D为51mm，流量，管内流速，1混合器芯子摩擦系数，1.5混合器芯子摩擦系数为120，屈服剪切应力，塑性粘度。图6 广东宏大增化乳胶基质管路图1、 DN100蝶阀 2、 DN100-DN50变径锥管 3、DN50弯管 4、DN50三通阀（180） 5、DN50三通阀（90） 6、SV型静态混合器 7、DN50垂直直管 8、DN50水平直管 9、DN50蝶

9、阀6.1 D51水平直管压降：管内流速单位长度压降总压降6.2 D51垂直直管压降：单位长度压降总压降：6.3 DN100蝶阀压降：当量直管内径D=100mm，当量长度Le=20D=2000mm，DN100管道内速度DN100蝶阀压降6.4 DN100-DN50变径锥管压降：6.5 DN50弯管压力降：当量直管内径D=51mm，当量长度Le=16D=816 mm，6.6 DN50三通阀（180）压降：当量直管内径D=51mm，当量长度Le=15D=765mm，6.7 DN50三通阀（90）压降：当量直管内径D=51mm，当量长度Le=45D=2295mm，6.8 DN50蝶阀压降：当量直管内径

10、D=51mm，当量长度Le=20D=1020 mm，6.9 SV型静态混合器压降：1.5芯子压降（单节L=37.8，D=40.6，数量3个，常使用2个）空管压降（D40.6，L=215）：锥形变径管压力损失(D28-52，L=72)锥形变径管压力损失(D52-28，L=72)精乳器总压力降：整个管路系统压力降：为方便计算，将上述计算步骤编制成EXCEL表，可快速得到不同产能下的管路计算压降，如表2所示。表2 乳胶基质管路压降计算表产量（t）乳胶基质温度（）静态混合器尺寸/芯子数量计算压降（MPa）实测压降（MPa）8901.5/ 2节1.361.387901.5/ 2节1.221.256.59

11、01.5/ 2节1.161.186901.5/ 2节1.091.085901/ 2节1.351.384.5901/ 2节1.221.224901/ 2节1.101.103.6901/ 2节1.011.0按照EXCEL表可以快速计算出不同管路的压力降，只需要给定介质的塑性屈服剪切应力、塑性粘度和生产产能。7、 乳胶基质生产过程中的能量转换乳胶基质在管路中的输送动力来源于基质螺杆泵的电机，在工作过程中该电机将电能转换为机械能，即为电机的有功功率。机械能带动螺杆泵转子的旋转运动，转子与定子的相对运动又将机械能进一步转化为三部分的能量：乳胶基质输送过程中所获得的动能和势能；螺杆泵定子与转子的摩擦热能；

12、乳胶基质与管路摩擦产生的热能。螺杆泵定子与转子之间相互摩擦产生的热量会使乳胶基质温度升高；在正常工作状态下，预乳器生产的乳胶基质会源源不断地通过螺杆泵，及时地带走产生的热量，避免了局部温度的持续升高，因而不会对生产造成安全隐患。乳胶管路的压力损失也是由于乳胶基质克服管路摩擦而产生的，基质与管路系统的摩擦使乳胶基质温度小幅升高。螺杆泵正常工作时，这些热量也被源源不断的乳胶基质带走，不会发生热量集中，因此不会造成安全风险。动能与势能（乳胶基质）电机机械能电能泵转子与定子摩擦热能（基质与管路）摩擦热能（基质泵定子与转子）图7 乳胶基质生产过程中的能量转换若螺杆泵处于空转的非正常工作状态下，转子与定子

13、间的摩擦力产生的热量会持续堆积，而又无法被带走，最终温度越来越高，从而使残留在基质螺杆泵里乳胶基质存在发生爆炸的可能，引发安全隐患。因此，基质螺杆泵在工作过程中严禁空转，必须设计保护装置防止泵的空转。由于乳胶基质为不可压缩流体，因此基质管路的压力最终将通过基质与管路系统摩擦的方式转化热能，使乳胶基质的温度小幅升高。以广东宏大增化民爆基质管路为例，当产能为8吨时，静态混合器采用2节1.5寸的芯子，基质泵变频器输出电压236V，电流13.5A，功率因素为0.83，压力降为1.36MPa。单位时间内电机转化成的机械能（即电机的有功功率）为：单位时间内乳胶基质获得的动能与势能分别为：单位时间内克服管道

14、摩擦转化的热能为：单位时间内转子与定子摩擦转化的热能为：摩擦热能导致乳胶温度升高：式中，为乳胶基质的比热容，其值为2800 。综上可以看出，摩擦热能使乳胶基质的温升较小。一方面，持续生成的乳胶基质会将摩擦热量及时带走，另一方面，基质在输送过程中与管壁形成热交换，最终将部分热量散发至空气中，因此，乳胶基质管路的合理压力降不会影响乳胶基质的安全生产。180200基质泵在空转时，极易产生安全风险。乳化基质主要成分为硝酸铵，硝酸铵随温度的升高发生的反应式为：230以上分解：NH4NO3 N2O+2H2O400以上加速分解：2NH4NO3 2N2+O2+4H2O爆炸：4NH4NO3 2N2O+2N2+8

15、H2ONM063SY03S18B型乳胶基质泵吸入腔的有效容积为，基质空转时，吸入腔内的残存基质为：基质泵空转时，由于定子与转子之间缺乏流动基质的润滑作用，因此定转子之间的摩擦热量比正常生产时的热量大得多，约为2倍。由此可得到基质泵空转时的单位时间温升为：基质泵内残存基质升温至热分解阶段所需的时间为：按上述方法计算得到其它时间如表3所示。表3 空转条件下螺杆泵内残存基质的温升情况销酸铵反应阶段反应的温度条件升温所需时间（s）热分解18020021.7加速热分解230以上33.8爆炸400以上74.9由于在热分解阶段，除了摩擦热量外，反应本身还会产生热量，因此实际到达加速热分解的230所需的时间会

16、小于33.8 s；与此类似，由于加速热分解阶段也会产生大量的化学热量，所以实际达到爆炸临界点400所需的升温时间会小于74.9 s，约为5060 s。八、乳胶基质管路压力降的合理区间乳胶基质管路采用的耐茨螺杆泵型号是NM063SY03S18B，为三级螺杆泵，最大输出压力为1.8MPa，最大输出转矩为316Nm。乳胶基质管路的压力降与工艺温度、生产产量、油相配方、水油相的混合状态密切相关。工艺温度是影响乳胶基质粘度最大的因素，直接影响乳胶基质的屈服剪切应力、塑性粘度，从而影响到整个管路的压力降。保持基质管路压力降在合理范围内，对保障乳胶基质的质量和基质泵的正常使用具有重要的意义。选用M063SY

17、03S18B螺杆泵作为基质泵时，乳化炸药基质管路的生产能力在2.59 t/h之间，为保证基质乳化的质量，建议最低产能在3 t/h以上。根据工程现场生产经验，基质管路压力降在0.81.5MPa时，乳胶基质具有较好的乳化质量。在基质管路达到其最大产能9 t/h时，管路压力降为1.43MPa，基质泵转速为124r/min，基质泵变频器输出功率3.79 kW。由此可计算出基质泵连轴杆所承受的扭矩为：综上所述，乳胶基质管路压力降的合理区间应为0.81.5MPa，该压力远小于基质泵的最大输出压力1.8MPa；在产能达到最大的9 t/h时，基质泵的转矩也小于最大输出转矩316Nm，充分保障了基质泵的正常运行

18、。九、管路压力形成的原因分析基质在管道内流动时，由于同管壁发生摩擦和基质本身的内部摩擦，会产生压力损失。这种压力损失称为沿程阻力损失或摩擦阻力损失。它主要取决于液体的流速、黏性和管路的长度以及管道的内径等。对于不同工艺温度下的基质，流经管道时的压力损失是不相同的。基质经过弯头、三通、变径管、阀门等构件时，流动状态会发生急剧改变，即出现转向、加速、撞击、旋涡、变形等情况，这同样会造成压力损失。这种压力损失称为局部压力损失。由于流动状态极为复杂，影响因素较多，局部压力损失的阻力系数，一般要依靠实验和经验来确定。在实际计算中常用当量长度法来快速计算。如果管路不在同一水平面上，则管路爬高时，基质压力的

19、一部分要用于克服重力。这种压力损失称为位置损失。基质管路中的压力损失等于沿程压力损失、局部压力损失、位置损失的总和。虽然管路的压力降不会对基质的安全生产造成影响，但是压力降越大，基质泵所做的功就更多地转换成了摩擦热能，造成电能的浪费。因此，设计管路时，应尽可能地减少整个管路的压力损失。由于静态混合器的特殊结构，基质流过时也会产生压力损失，为了保证基质得到充分的乳化，基质流过SV型静态混合器的速度应不低于1m/s。因此，基质通过静态混合器的压力降是无法消除或减少的。基质通过直管、弯管、阀门也会产生压力损失，这部分的压力损失可通过管路的优化设计来尽量降低。在管路设计过程中，确定管道的最佳内径、选用

20、合理的弯头、阀门、三通等部件是降低管路系统压力损失的有效方式。10、 管路压力降的设计原则乳胶基质工艺温度为90时，塑性粘度，屈服剪切应力，密度为1.36103 kg/m3。1、确定合适的管道内径表3 不同管径、产能下的水平管道单位压降（Pa/m）管道内径规格3 t/h4 t/h5 t/h6 t/h7 t/h8 t/hDN4059332 69786 80241 90696 DN5035584 39951 44318 48685 53051 57418 DN6025199 27333 29466 31600 33734 35867 确定管路的管径时，应保证能满足流量要求，并使压力损失小，以获得经济合理的效果。众所周知，管径