《Powder Technology》：A novel method for predicting the wear rate of pipelines transporting cemented paste backfill based on wall shear stress
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水泥浆回填料（CPB）管道运输中，基于壁面剪切应力的现象模型被开发用于磨损率预测，考虑不同CPB类型和磨损机制，模型适用于屈服应力低于200Pa、固含量76%-82%的典型工况，但粗颗粒尺寸突变会导致预测偏差，且未考虑管道压力和剧烈冲刷的影响。
王晓琳|唐一萌|郭金平|邱正|张超|高佳梅|王洪江|江海强|顾庆华
西安建筑科技大学资源工程学院，中国西安710055
摘要
水泥浆体回填料（CPB）在采矿安全、环境保护、经济可行性和运营效率方面具有显著优势。然而，由于管道磨损问题，CPB的管道运输面临重大挑战。由于总管道磨损是磨损、侵蚀和腐蚀及其协同作用共同的结果，准确预测管道磨损率仍然是一个重大难题。本研究的目的是开发一种现象学模型来预测运输CPB的管道磨损率。我们之前的研究表明，壁面剪切应力可以作为描述CPB复杂的固液两相特性对管道磨损影响的综合定量指标。在本研究中，将CPB视为单相Bingham流体。基于平板上的层流边界层理论，推导出了作用在磨损试样上的壁面剪切应力。我们开发了三种基于壁面剪切应力的现象学模型，用于预测水平直管线的磨损率，考虑了不同类型的CPB和磨损机制。这些模型适用于屈服应力低于200 Pa且质量浓度在76%到82%之间的CPB，这对应于典型的管道运输条件。一个关键的局限性是，当粗骨料粒径发生显著变化时，这些模型不适用，因为这可能会导致与仅用壁面剪切应力预测的结果相反的磨损趋势。预测的磨损率比现场实际测量值低19.7%到45.9%。这种差异可以归因于未考虑管道压力和冲洗过程中强烈侵蚀的影响。需要进一步研究这两个因素以提高磨损率预测的准确性。本研究推进了CPB运输管道磨损率预测的基本理论，这对于防止因管道磨损引起的安全事故具有重要意义。
引言
尽管金属采矿为社会和经济进步提供了重要资源，但它面临着两个重大挑战：安全生产和环境保护[1]、[2]、[3]。水泥浆体回填料（CPB）是一种技术，它将固体废物（包括尾矿、废石和金属矿的炉渣）与水和胶凝材料混合，制成超高浓度的浆液[4]、[5]、[6]。这种浆液的固体质量分数通常在70%到85%之间[7]、[8]、[9]，用于填充地下空洞。CPB的典型输送过程是通过管道将其从地表准备站输送到地下空洞[10]、[11]。与所有浆液管道一样，高效率、低能耗和低磨损是关键的操作目标[12]、[13]。通常使用普通钢管，因为它们具有令人满意的机械性能和成本效益。然而，矿山固体废物往往含有石英等硬质成分[14]，其硬度高于普通钢管。因此，填充管道的磨损是不可避免的[8]、[15]、[16]。显然，CPB运输管道的磨损可能会产生严重后果[2]、[17]、[18]、[19]，这突显了对此问题进行彻底研究的重要性和必要性。
精确预测填充管道各部分的磨损率对于确定其使用寿命至关重要。当前的管道磨损预测方法可以分为四种主要类型：机理模型[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、数值模拟方法[12]、[26]、[28]、[29]、[30]、数据驱动方法[31]、[32]、[33]和现象学模型[34]。尽管对CPB运输管道的磨损特性[8]、[16]和机制[35]进行了广泛研究，但可靠的磨损率预测方法仍然不完善。当Hewitt[36]使用摩擦轮测试机评估管道的耐磨性时，他发现磨损率与单位质量损失所消耗的能量有一定的相关性。他提出这种能量指标可能用于预测浆体填充管道的磨损率；然而，没有开发出具体的预测方法。在非牛顿稠密浆液条件下，Krishna[24]提出了一种基于能量的方法来预测90°管道弯头的壁面侵蚀——这表明壁面载荷（即能量耗散或剪切应力）在磨损预测中的关键作用。目前，旋转磨损测试仪[37]、[38]被广泛用于研究CPB运输管道的磨损行为。Creber[38]尝试使用从该设备获得的实验数据来预测CPB运输管道的磨损率。然而，在实验室实验中测得的磨损率与实际CPB运输管道中的磨损率之间没有观察到显著相关性。由于CPB运输管道的总磨损是侵蚀-腐蚀和磨损-腐蚀的复杂相互作用，任何仅关注纯侵蚀[21]、[22]、[23]、纯磨损[25]、[26]或纯腐蚀[27]的单一机理预测模型都难以准确预测管道的整体磨损率。虽然一些学者考虑了纯腐蚀和纯腐蚀的总和来预测管道的总磨损率[27]、[39]、[40]，但由于它们的复杂性，尚未考虑磨损-腐蚀或侵蚀-腐蚀的协同效应。数值模拟方法[12]、[26]、[28]、[29]、[30]可以用来准确预测管道的磨损易发区域。一些学者绕过磨损率预测，直接使用人工智能方法[31]、[32]来预测填充管道的使用寿命。这是一种数据驱动的预测方法[33]，依赖于来自磨损和损坏管道的统计数据，需要大量高质量的样本。鉴于CPB运输管道磨损的严重后果，在发生磨损相关故障之前建立合理的更换计划至关重要。因此，使用准确的CPB运输管道磨损率预测方法来确定其寿命比使用上述数据驱动方法更具成本效益。与上述管道磨损率预测模型/方法相比，开发现象学模型[34]要简单得多。现象学模型不关注管道的详细磨损过程和机制，而是旨在建立测量到的总磨损率与关键参数（如浆液浓度、流速和粒径）之间的功能关系[8]、[16]。
本研究的主要目标是开发现象学模型，以预测不同类型CPB和磨损机制引起的管道磨损。鉴于CPB组成的复杂性和管道输送过程中涉及的磨损机制，目的是确定一个标准化的定量指标，能够全面描述CPB的固液相特性如何影响管道磨损，从而有助于开发预测性磨损率模型。
磨损试样和管道壁面所经历的壁面剪切应力可能是预测管道磨损率的关键指标，原因如下。我们之前的研究表明，随着CPB的屈服应力和塑性粘度的增加，钢试样的磨损率呈指数增长[8]、[16]。其他研究也支持CPB的流变特性与管道磨损密切相关[41]、[42]、[43]。CPB的流变参数提供了对固液两相特性（包括浓度、水泥-砂比、粗骨料含量、pH值和混合水类型）对CPB流动性影响的全面定量评估[1]、[2]、[44]、[45]、[46]。流变参数对于计算填充管道中的壁面剪切应力也至关重要[47]、[48]、[49]。理论上，壁面剪切应力可以全面定量地描述上述固液两相因素对管道磨损的影响[50]。然而，如第3.5.1节所讨论的，当粗骨料粒径发生显著变化时，磨损率与壁面剪切应力之间的关系会反转——这种情况超出了模型的适用范围，这也强调了在实践中保持稳定骨料级配的重要性。
部分片段
物理模型描述
浆液罐测试仪[51]因其体积小、材料消耗少和实验时间短而被广泛用于研究目标材料的磨损。为了研究CPB运输管道的特性，开发了一种改进的浆液罐测试仪（图2）[8]、[16]。通过调整CPB与磨损试样之间的接触角，可以准确模拟CPB在管道中的平行流动，从而更精确地反映实际情况。
基本数据来源
我们之前的研究[8]、[16]全面记录了CPB的浓度、流速、粗骨料含量及其相应的流变参数，以及试样样本的磨损率数据。夹持臂的长度表示为，磨损试样的长度为7 mm。因此，的范围在0.002 m到0.009 m之间。
为了便于理解，有必要简要回顾之前的结果趋势。
结论
本研究开发了三种基于壁面剪切应力的现象学模型，用于预测CPB运输管道的磨损率。主要发现和贡献包括：
(1)壁面剪切应力是一种有效的预测因子，它综合了屈服应力和塑性粘度的流变效应，捕捉了CPB组成对管道磨损的复杂影响。
(2)基于Bingham流体的边界层理论，提出了磨损试样的壁面剪切应力方程
CRediT作者贡献声明
王晓琳：撰写——原始草稿。唐一萌：撰写——原始草稿。郭金平：撰写——原始草稿。邱正：撰写——原始草稿。张超：撰写——原始草稿。高佳梅：撰写——原始草稿。王洪江：撰写——原始草稿。江海强：撰写——原始草稿。顾庆华：撰写——原始草稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金项目（项目编号：52504142）、陕西省重点研发项目（项目编号：2025SFYBXM-535）、CPSF博士后奖学金计划（编号：GZC20232063）、陕西省自然科学基金项目（项目编号：2024JC-YBQN-0507）和陕西省博士后研究项目（项目编号：2023BSHYDZZ142）的支持。
