李培鳳 ，楊利國

(太原鋼鐵集團(有限)公司礦業(yè)分公司尖山鐵礦，山西 太原 030300)

0 引言

目前全世界已有20多個國家使用管道輸送固體物料，我國除在石油系統(tǒng)采取液體長距離管道輸送外，在冶金、煤炭、化工等行業(yè)已開始使用長距離管道輸送技術，特別是冶金礦山，對這項技術提出迫切的需求。華北某鐵礦經(jīng)引進建設的兩條長距離鐵精礦輸送管道已經(jīng)投入應用，其產(chǎn)品鐵精礦由管道直接輸送到煉鋼廠區(qū)。固體水力輸送，尤其是高濃度漿體輸送，有很多優(yōu)點，與其他傳統(tǒng)的運輸方式相比，管道建設周期短、投資少，運量大；維護簡單，便于自動化控制，運輸成本低；受地形條件的限制少，易于克服自然地形的障礙；管道埋設在凍土層以下，不占地或占地面很少；輸送過程中無損耗、無泄漏、無污染，對環(huán)境和生態(tài)無影響，社會效益顯著；管道輸送不受氣候條件的影響，均衡輸送、安全可靠。但是長距離管道輸送方式對物料的粒度、輸送流速、和輸送濃度等技術參數(shù)及安全運行操作控制有嚴格的要求。

1 管道系統(tǒng)概述

華北某鐵礦鐵精礦輸送系統(tǒng)，采用世界先進的管道輸送技術進行長距離重介質固體物料輸送，是國內金屬礦山系統(tǒng)首次采用的新工藝，共有兩條管線，第一條管道在1997年7月正式投入運行，第二條管道在2005年9月正式投入運行。

管輸系統(tǒng)分為前處理站、后處理站和中間管線三部分。前處理泵站位于山西省婁煩縣馬家莊鄉(xiāng)，后處理閥門站位于太原市煉鋼廠區(qū)，全線一級泵站。管道起點地形標高海拔1 334.5 m，終點地形海拔標高809.0 m，全長102.23 km，埋地段約82.5 km，跨越段約2 km，隧洞段約17 km，橋掛管段約0.5 km。管道地處山地、丘陵地帶，沿途地形復雜，19次穿越汾河，2次穿越鐵路，5次穿越公路，通過17個隧道。管線埋深在1.2 m凍土層以下，穿越汾河流域在3～4 m以下，管線外部包覆一層高密度聚乙烯包覆層，管線陰極保護采用犧牲陽極和強制電流兩種方法。

管道外徑分別為Ф229 mm、Ф243 mm。兩條管道除個別管段外都是平行敷設，設計最大工作壓力為15.3 MPa，除首末站外，不設中間站，線路中間也不設截斷閥室。全線管道敷設坡度小于10%。

2 輸漿管道工藝技術指標及控制要求

1)管輸工藝系統(tǒng)工藝技術參數(shù)控制范圍見表1。

表1 管輸工藝系統(tǒng)工藝技術參數(shù)控制范圍

2)管道允許的腐蝕裕量：0～11.306 km<0.381 mm/y, 11.306～17.05 km<0.254 mm/y,15～102.209 km<0.127 mm/y。

3)管道保護系統(tǒng)管地電位：要求在-1.5～-0.85V之內。

4)管道埋深要求1～4 m不等，實際埋深大部分為1.5 m左右，河流穿越段為3～4 m以下。

3 管道的日常工藝管理與控制情況

3.1 嚴格的工藝管理與過程監(jiān)控

1)輸漿參數(shù)的控制：在正常輸送礦漿期間，要監(jiān)測進入礦漿槽的漿體性質，崗位操作工根據(jù)在線儀表顯示值及時調整到要求的控制范圍內，每隔4 h從檢測環(huán)管采取礦樣，在計量檢驗室做粒度分析、礦漿重量濃度、pH值。分析結果與相應的儀表讀數(shù)相比較并進行必要的調整，若礦漿粒度組成不在范圍之內，要通知有關人員采取必要的調整措施。不符合礦漿特性的礦漿不允許進行管道輸送，反回攪拌槽或濃縮大井重新制漿。

2)管道輸水要求：必須按規(guī)定加入除氧劑亞硫酸鈉溶液,按標準配制溶液濃度，并保證正常情況下溶液能按要求量輸入管道。

3)精礦管道檢測和檢查：管道壁厚定期檢測分析、陰極保護電位定期檢測分析、管道外部防腐層破損漏點檢測修復、管道定期巡檢維護、管道附近施工處的監(jiān)督檢查和管道跨越段、橋掛管、穿越(公路、鐵路和河流)等危險部位的重點檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時組織處理匯報。

4)分析優(yōu)化：技術人員對各類指標進行統(tǒng)計及偏差分析，及時修訂作業(yè)標準,對存在的問題及時提出解決方案并組織處理。

3.2 嚴格按標準操作

1)管道可以進行短時間帶漿停車再啟動，在生產(chǎn)過程中，持續(xù)進行現(xiàn)場試驗，確定管道帶漿停車時間為16 h。如計劃停車時間超過16 h，整條管道必須用水沖洗。管道帶漿再啟動時，必須帶水啟動，運行正常后，可以切換礦漿。帶漿停車前，要用水沖洗主泵和進口管道。

2)停車再啟動操作開始前，打開泵站的工藝水閥門。觀察終端閥門站壓力升高到最大靜壓水頭，確認管線是暢通，然后開啟終端閥門，開始啟動喂料泵和主泵。

3)沖洗水用于管道啟、停車時對設備和管道的沖洗。用水沖洗時，需要在水中加入Na2SO3溶液消除溶解氧，控制管道和設備的腐蝕。

3.3 必要的工藝安全設施

安全設施第一級是主泵出口高壓管道壓力變送器高壓聯(lián)鎖裝置，運行中的管道壓力超過聯(lián)鎖設定值15.3 MPa，主泵聯(lián)鎖停車，保護主泵和管道安全；第二級是主泵的安全閥，在主泵出口壓力達到17.7 MPa時，安全閥打開進行卸壓，防止對主泵和管道造成損壞；第三級是終端高低壓安全破裂片PSV-267 和PSV-267B的保護。如果主泵在運轉的情況下，突然關閉管道終端高壓閥門，或在終端高壓閥門關閉的情況下，主泵突然啟動，兩種極端惡劣的情況下，為了保護主管道，該安全破裂片PSV-267和PSV-267B會自動破裂，將管道的壓力釋放。

3.4 管道腐蝕控制

1)內腐蝕控制：從有氧腐蝕進行預防，優(yōu)化除氧系統(tǒng)，確保計量泵流量可適時調整，處理量完全能滿足添加需要，并定期用測量管道沖洗水的溶解氧含量，及時調節(jié)除氧劑的添加量。另一方面定期完成礦漿腐蝕試驗，及時調節(jié)輸送礦漿pH值控制中值到最佳值，并給定控制范圍。

2)外腐蝕控制：采用外防腐層加外防腐陰極保護系統(tǒng)聯(lián)合保護，定期檢查維護防腐層，減少防腐層漏點，定期對陰極保護系統(tǒng)進行檢測評價，保證保護系統(tǒng)運行正常，延緩管道的腐蝕，延長管道使用壽命。

3)腐蝕測量：在線腐蝕程度探測器，定期對管道內壁點蝕現(xiàn)狀檢查，進行劣化傾向分析。

3.5 管道沿線壁厚分析

管道壁厚超聲波測量，選擇具有代表性的管段作為測量點，每個測量點沿管道徑向確定6～8個位置進行測量，定期分析精管道剩余壁厚情況。

3.6 完善的應急預案

結合實際泄漏的處理經(jīng)驗不斷完善精礦管道泄漏處理應急預案，并定期進行操作演練。

4 管道運行過程中出現(xiàn)的問題及改進措施

4.1 管道沿線隱患治理

針對管道日常巡檢梳理出的安全隱患、外界施工對管道的影響，制定可行的隱患處理計劃，對存在較大安全隱患的管段進行設計更換；

定期利用先進的檢測技術，制定綜合評估檢測方案，對管道全線外防腐系統(tǒng)、管道局部受傷變形、管道剩余強度、剩余壽命及超標缺陷的安全狀況進行全面評估。

4.2 管道內壁結垢清理

礦漿管道連續(xù)運行幾年后，主管線開始出現(xiàn)結垢的影響，主要表現(xiàn)為主泵出口壓力上升趨勢明顯，限制了管道的輸送量，嚴重制約了生產(chǎn)，對管道結垢情況及如何處理進行研究分析。結垢狀況及垢樣全分析見圖1及表2。

圖1 管道高壓區(qū)結垢狀況

表2 垢樣全分析

分析精礦管道垢樣成分，高壓區(qū)以Fe2O3為主，低壓區(qū)以CaCO3為主，結合精礦管道結垢情況及大量實驗結果，得出管道內壁結垢的成因為，在一定條件下，水中的Ca2+首先析出，形成以CaCO3的形式附著在管壁上，礦漿在流動過程中，小顆粒不斷吸附在CaCO3上面，并被沖洗水及礦漿帶入的游離氧氧化成Fe2O3，日積月累形成以CaCO3為晶核的Fe2O3包覆層。

化學清洗除垢：依據(jù)結垢的形成機理，利用低濃度鹽酸浸泡垢層，將結晶體中的CaCO3徹底分解，F(xiàn)e2O3包覆層自然脫落成粉末狀。設計管道加酸工藝，將工業(yè)鹽酸和生產(chǎn)循環(huán)水按一定的配比，輸入精礦管道，在管道內分段浸泡，定時啟停管道主泵，依據(jù)實驗室經(jīng)驗，合理控制酸液浸泡垢層時間，經(jīng)過三次注酸，成功清理管道內壁結垢層，管道恢復正常運行。

在線物理除垢：隨著生產(chǎn)輸送任務的加大，酸洗除垢需系統(tǒng)停車且耗用時間長的問題被暴露出來，為減小對生產(chǎn)的影響，進一步優(yōu)化管道結垢清理工藝，減緩管道結垢速度，研究機械清管技術在重介質礦漿管道中的適應性。利用機械清管器對結垢進行分層清理，針對精礦管道為漸變內徑的非標管道，研發(fā)的一套適用于長距離漸變內徑漿體管道的機械清管器物理除垢工藝，及尺寸漸變清垢能力由弱變強的機械清管器，既能保證一次清垢量，又不會使清理出的垢大量堆積造成清管器卡堵；既能克服高壓礦漿強力沖刷，完整通過102 km全程，又能保證足夠的彈性通過管道的輕微變形處。同時清管器設計安裝跟蹤定位系統(tǒng)，屏蔽鐵礦漿的電磁干擾，對清管器準確定位。成功實現(xiàn)了不停輸在線物理清管，對管道無損傷，安全環(huán)保。機械清管技術在重介質礦漿管道中首次成功運用，在國內外長距離固體物料輸送管道結垢問題的處理技術領域具有重大的借鑒作用。清管器組見圖2。

圖2 清管器組

4.3 管道泄漏防范措施

1)精礦管線位置進行探測定位，將具體位置現(xiàn)場做標識，并完善到精礦管線檔案。

2)選管道沿線有代表性的管段，特別是穿河段，對防腐層狀況及管道外壁狀況進行定期摸排檢查，及時修復破損的防腐，逐步更換本體受傷的管段。河道穿越、跨越地段根據(jù)管道的標高及現(xiàn)場周圍實際情況，局部加裝套管，同時確定上游安全的割口排放點，集中收集排放物，進行環(huán)保處理，防止管道泄漏直排至河道內造成水源污染。

3)引進先進的封堵設施，優(yōu)化泄漏搶修方案，盡量縮短泄漏時間，減少泄漏量。目前帶壓封堵技術、帶高壓閥門的封堵三通已成功使用，可以根據(jù)泄漏位置及漏孔狀況選擇封堵器，提高搶修效率。

4)抽檢有代表性管段，委托專業(yè)機構進行性能檢測評估，包括化學成份分析、拉伸性能測試、沖擊韌性測試、壁厚、內徑、內壁、外壁腐蝕情況檢測。檢驗管道的強度、耐壓及磨損、腐蝕情況，了解達到使用壽命后，管道本體的承壓狀況。

5 結語

固體物料長距離管道輸送的優(yōu)勢已逐步顯現(xiàn)，礦物運輸對長距離管道輸送的需求日漸擴張，確保管道輸送系統(tǒng)安全運行的關鍵是完善的工藝設計、標準的操作及維護、新工藝新技術的不斷優(yōu)化。目前該礦兩條鐵精礦輸送管道已安全穩(wěn)定運行23年和15年，管道原設計壽命20年，從磨損情況分析預計使用壽命可達到30年。