譚俊清， 沈翠良

(1.西安建筑科技大學土木工程學院， 陜西 西安 710055；2.包鋼集團公司建設部，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

包鋼白云鄂博鐵精礦礦漿輸送管道工程，是目前我國管徑最大、輸送能力最強、單極泵站輸送距離最長的鐵精礦礦漿輸送管道，是我國第三條高壓長輸?shù)V漿管線，也是首條建設在高原嚴寒凍土地帶的礦漿管線。是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點項目，由美國PSI公司進行技術(shù)咨詢設計，包括一條鐵精礦礦漿輸送管道(起點在包鋼巴潤礦業(yè)公司白云西礦選廠精礦泵站，終點在包鋼廠區(qū)綜合料場落地接收系統(tǒng)，全長145km)，和一條供水管道(起點在高壓水泵站，終點在西礦選廠高位水箱，全長130km)，管材為API 5L X65與Q345B。高程自1048m至1624m。落差576m，設計的基本情況見表1～表3。

該項目于2005年開始策劃，2007年啟動，2008年4月12日正式開工，2009年8月14日試壓成功，2009年12月23日打水上山，2010年1月4日礦漿落地，項目取得成功，運行一年，狀態(tài)良好。

表1 設計的外直徑、壁厚及長度

表2 輸送能力(年運行8000h)

表3 流體力學基本參數(shù)

2 經(jīng)濟效益分析

包鋼廠區(qū)距離白云鄂博西礦原有鐵路、公路151km，礦漿管線建成之前，主要依靠鐵路運輸為主、汽車運輸為輔的方式。2009年，巴潤公司(包鋼白云西礦)生產(chǎn)的鐵精礦111.21萬t，其中鐵路輸出45.32萬t，公路輸出65.89萬t，2010年，生產(chǎn)230萬t，全部通過礦漿管線運輸。各種運輸方式的比較見表4。包括300萬t選礦廠在內(nèi)，項目總投資60億元，每年可為包鋼帶來12億元的經(jīng)濟效益[1，3-4]。

表4 包鋼各種運輸方式的比較

3 線路設計

由南向北，管線先后通過城市市區(qū)(11km)、山區(qū)和隧道(18km)、農(nóng)田(9km)、河床(4km)、丘陵(102km)，總計穿越6座大山、3條河流、11道河谷、1條地震帶。隧道長1698m，高程從1048m到1624m，落差576m。洞深按照1.6～2.8m設計，各分段詳細的設計外徑、壁厚、材質(zhì)見表5。

表5 管線設計外徑、壁厚、材質(zhì)詳表

4 材料性能

采用了API 5L X65級管線鋼，由包鋼自行冶煉、自行軋制、自行焊接施工，完全滿足設計要求[7]。鋼種設計為13MnNbTi，屈服強度448MPa～600MPa，材料的化學成分、力學性能見表6、表7和圖1。

表6 包鋼X65鋼化學成分

表7 力學性能檢驗結(jié)果

圖1 包鋼X65鋼強度檢驗結(jié)果

5 焊接工藝

由中油管道焊接技術(shù)中心進行了焊接工藝評定，確定了焊接工藝的要求，按照API std 1104及PSI-1005-S-P-005 Rev.0要求，經(jīng)拉伸試驗、彎曲試驗、刻槽錘斷試驗、沖擊試驗、硬度試驗和金相分析，評定的焊接工藝合格。

焊接工藝為SMAW+FCAW，要求環(huán)境溫度-5℃，濕度<90%，風速<5m/s，焊接設備采用LINCOLN DC400(SMAW)/ LINCOLN DC400+LN-23P(FCAW)。

接頭設計：接頭型式為對接，坡口型式為V型，坡口角度60°±5°，鈍邊(1.6±0.4)mm，內(nèi)外余高0～1.6mm，對口間隙1.6～3.0mm，錯邊小于3mm，蓋面焊縫寬為坡口每側(cè)1.6mm。見表8、表9和圖2。

6 內(nèi)壓力曲線

PSI公司在對包鋼礦山研究院的礦漿流變特性試驗、腐蝕試驗、安息角試驗、滑動角試驗等基礎上，計算沿途摩阻，繪制水力坡度圖，分析瞬變壓力[2，5-6]，進而確定運行壓力監(jiān)測值、分段試壓的試驗壓力。見圖3、圖4及表9、表10。

圖2 焊接接頭設計與焊道順序

表8主線路焊接工藝

焊道根焊熱焊填充蓋面規(guī)范號A51AWSA529類別E6010E81T8?G或E71T8?K6工藝SMAWFCAWFCAWFCAW尺寸Φ32mmΦ20mmΦ40mmΦ40mm商家LINCOLNHOBARTHOBARTHOBART焊道數(shù)量111～31極性DCEPDCENDCENDCEN焊接方向下向焊下向焊下向焊下向焊電流(A)60～90180～250160～240160～240電壓(V)25～3518～1918～1918～19焊接速度6～1315～3012～2512～25熱輸入13～1710～1512～1712～17預熱溫度75～12090～20090～20090～200時間間隔<5min<15min<15min<15min

圖3 礦漿管線內(nèi)壓力曲線

圖4 供水管線內(nèi)壓力曲線

表9礦漿管線分段試驗壓力

分段號起點樁號終點樁號長度/km起點壓力/MPa起點高程/m終點高程/m用水量/m3終點壓力/MPa最高高程/m最低高程/m落差/m壓差/MPa一K244K290702883283016136015408624200029031613601527518609073二K29070K497102064248515408615749817820024511620601537008360(034)三K49710K8677837072274157498147701365280224415964014694012700(030)四K86778K10826321492237147701121223214410250414793012122026710267五K108263K12987821622583121223109770214410270312161010933012280120六K129878K13907091925801097701112507645026331132001058207380053七K139070K14367146019801112501047502224019891056701041201550009

表10 供水管線分段試驗壓力

7 施工組織

管線施工任務以K49710及K129878為界，劃分為三段，其中中國二冶承擔了中間的81km，包鋼建安集團承擔了北端的50km和南端的15km。主要的施工工序為：征地、測量、掃線、管溝開挖、管道焊接、自檢、三檢、防腐、陰極保護、光纜、管道下溝、管線回填，施工過程中重點推廣了一些先進的施工方法和技術(shù)措施。

7.1 大流水作業(yè)

包鋼建安集團采用了大流水作業(yè)的組織方式，對每一道焊口的焊接作業(yè)時間進行了詳細的測算和成本分析，優(yōu)化了人力、機械的調(diào)配，創(chuàng)造了日焊接104道口的記錄。見圖5、圖6。

圖5 包鋼建安集團管道焊接網(wǎng)絡圖

圖6 包鋼建安集團焊接網(wǎng)絡優(yōu)化

7.2 管道下溝

管道下溝時，因無專業(yè)吊管機械，中國二冶率先采用了3臺50t履帶吊和1臺反鏟配合的工法進行下溝作業(yè)。建安集團在此基礎上，采用長輸管線大變形理論和結(jié)構(gòu)力學的計算結(jié)果，對方案做了細化和調(diào)整，50t履帶吊增加到4臺，反鏟增加到2臺，確定了最大起吊高度和最小吊點間距，穩(wěn)定性更好，安全性更高，效率提高，達到了每天1km的平均速度。見圖7、圖8。

7.3 管溝回填

管溝回填時，嚴格執(zhí)行了管周邊300mm內(nèi)回填細沙的做法，有效解決了管壁3PE防腐層保護和管道彈性敷設的問題?；靥钔戤吅?，上部覆土300厚，預留沉降量。見圖9。

7.4 無縫管熱矯

因為包鋼自產(chǎn)無縫鋼管的壁厚、橢圓度生產(chǎn)合格指標大于施工標準的要求，生產(chǎn)要求誤差3.2mm以下即可，而施工標準要求1.6mm以下，故導致最北端19km無縫管的焊接質(zhì)量合格率降低，主要表現(xiàn)在對口間隙、錯邊量、內(nèi)焊縫余高的超標。為解決此問題，包鋼建安集團先后采用了碼單級配、現(xiàn)場級配、機加工、力學檢測等技術(shù)手段，最終采用了熱矯復圓的手段成功解決，一次合格率達到76%以上，返修合格率100%。其余焊口的合格率在98%以上。

圖7 管道下溝的變形計算

圖8 管道下溝的力學分析

圖9 管溝回填示意圖

7.5 冬季低溫焊接

因工期緊急，近半數(shù)的焊口要在低溫條件下進行。自2008年11月7日到2009年1月6日為冬季施工期，白云鄂博地區(qū)冬季極端低溫達-32.6℃，期間兩家單位總計完成了水管2843道、礦管1619道口的焊接，分別占總焊口數(shù)量的13%和26%。為了確保焊接工藝要求，采用了自控溫電加熱帶的方案，電加熱帶采用紅外線高溫復合陶瓷材料，配合溫控裝置和特制保溫棚、耐高溫硅酸鋁纖維保溫棉等技術(shù)手段，實現(xiàn)了快速升溫、恒定溫度，根焊預熱溫度及層間溫度保持在在100℃～120℃之間，焊后溫度150℃～180℃之間，緩冷時間在24h以上，經(jīng)檢測低溫條件下的焊口全部合格。

7.6 管線壓力測試

回填后，對全部的管線進行了嚴格的壓力測試。試驗壓力按內(nèi)壓力曲線取值，上限為屈服強度的90%，最高一段的試壓力達到28.3MPa，試壓頭的試驗壓力為34MPa。根據(jù)水源情況，分5段、7段打壓，各分段壓力值見表9。試壓過程中，出現(xiàn)一處母材爆裂和焊縫滲漏，重新返修后再次試壓合格。見圖10。

圖10 最高壓力段試驗記錄(K0～K29070)

8 結(jié)語

包鋼礦漿管線工程是繼太鋼尖山、昆鋼大紅山之后，國內(nèi)第三條鐵精礦礦漿管線，也是第一次在高原嚴寒條件下施工的管線。其壓力之高、難度之大，超過已建成的兩條管線，也超過西氣東輸管線。項目的成功，對我國發(fā)展?jié){體長輸管線技術(shù)、開發(fā)邊遠山區(qū)礦產(chǎn)資源具有重要意義。

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