包钢白云矿浆管线工程建设实践

谭俊清， 沈翠良

(1.西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安 710055；2.包钢集团公司建设部，内蒙古 包头 014010)

包钢白云鄂博铁精矿矿浆输送管道工程，是目前我国管径最大、输送能力最强、单极泵站输送距离最长的铁精矿矿浆输送管道，是我国第三条高压长输矿浆管线，也是首条建设在高原严寒冻土地带的矿浆管线。是内蒙古自治区重点项目，由美国PSI公司进行技术咨询设计，包括一条铁精矿矿浆输送管道(起点在包钢巴润矿业公司白云西矿选厂精矿泵站，终点在包钢厂区综合料场落地接收系统，全长145km)，和一条供水管道(起点在高压水泵站，终点在西矿选厂高位水箱，全长130km)，管材为API 5L X65与Q345B。高程自1048m至1624m。落差576m，设计的基本情况见表1～表3。

该项目于2005年开始策划，2007年启动，2008年4月12日正式开工，2009年8月14日试压成功，2009年12月23日打水上山，2010年1月4日矿浆落地，项目取得成功，运行一年，状态良好。

表1 设计的外直径、壁厚及长度

表2 输送能力(年运行8000h)

表3 流体力学基本参数

2 经济效益分析

包钢厂区距离白云鄂博西矿原有铁路、公路151km，矿浆管线建成之前，主要依靠铁路运输为主、汽车运输为辅的方式。2009年，巴润公司(包钢白云西矿)生产的铁精矿111.21万t，其中铁路输出45.32万t，公路输出65.89万t，2010年，生产230万t，全部通过矿浆管线运输。各种运输方式的比较见表4。包括300万t选矿厂在内，项目总投资60亿元，每年可为包钢带来12亿元的经济效益[1，3-4]。

表4 包钢各种运输方式的比较

3 线路设计

由南向北，管线先后通过城市市区(11km)、山区和隧道(18km)、农田(9km)、河床(4km)、丘陵(102km)，总计穿越6座大山、3条河流、11道河谷、1条地震带。隧道长1698m，高程从1048m到1624m，落差576m。洞深按照1.6～2.8m设计，各分段详细的设计外径、壁厚、材质见表5。

表5 管线设计外径、壁厚、材质详表

4 材料性能

采用了API 5L X65级管线钢，由包钢自行冶炼、自行轧制、自行焊接施工，完全满足设计要求[7]。钢种设计为13MnNbTi，屈服强度448MPa～600MPa，材料的化学成分、力学性能见表6、表7和图1。

表6 包钢X65钢化学成分

表7 力学性能检验结果

图1 包钢X65钢强度检验结果

5 焊接工艺

由中油管道焊接技术中心进行了焊接工艺评定，确定了焊接工艺的要求，按照API std 1104及PSI-1005-S-P-005 Rev.0要求，经拉伸试验、弯曲试验、刻槽锤断试验、冲击试验、硬度试验和金相分析，评定的焊接工艺合格。

焊接工艺为SMAW+FCAW，要求环境温度-5℃，湿度<90%，风速<5m/s，焊接设备采用LINCOLN DC400(SMAW)/ LINCOLN DC400+LN-23P(FCAW)。

接头设计：接头型式为对接，坡口型式为V型，坡口角度60°±5°，钝边(1.6±0.4)mm，内外余高0～1.6mm，对口间隙1.6～3.0mm，错边小于3mm，盖面焊缝宽为坡口每侧1.6mm。见表8、表9和图2。

6 内压力曲线

PSI公司在对包钢矿山研究院的矿浆流变特性试验、腐蚀试验、安息角试验、滑动角试验等基础上，计算沿途摩阻，绘制水力坡度图，分析瞬变压力[2，5-6]，进而确定运行压力监测值、分段试压的试验压力。见图3、图4及表9、表10。

图2 焊接接头设计与焊道顺序

表8主线路焊接工艺

焊道根焊热焊填充盖面规范号A51AWSA529类别E6010E81T8⁃G或E71T8⁃K6工艺SMAWFCAWFCAWFCAW尺寸Φ32mmΦ20mmΦ40mmΦ40mm商家LINCOLNHOBARTHOBARTHOBART焊道数量111～31极性DCEPDCENDCENDCEN焊接方向下向焊下向焊下向焊下向焊电流(A)60～90180～250160～240160～240电压(V)25～3518～1918～1918～19焊接速度6～1315～3012～2512～25热输入13～1710～1512～1712～17预热温度75～12090～20090～20090～200时间间隔<5min<15min<15min<15min

图3 矿浆管线内压力曲线

图4 供水管线内压力曲线

表9矿浆管线分段试验压力

分段号起点桩号终点桩号长度/km起点压力/MPa起点高程/m终点高程/m用水量/m3终点压力/MPa最高高程/m最低高程/m落差/m压差/MPa一K244K290702883283016136015408624200029031613601527518609073二K29070K497102064248515408615749817820024511620601537008360(034)三K49710K8677837072274157498147701365280224415964014694012700(030)四K86778K10826321492237147701121223214410250414793012122026710267五K108263K12987821622583121223109770214410270312161010933012280120六K129878K13907091925801097701112507645026331132001058207380053七K139070K14367146019801112501047502224019891056701041201550009

表10 供水管线分段试验压力

7 施工组织

管线施工任务以K49710及K129878为界，划分为三段，其中中国二冶承担了中间的81km，包钢建安集团承担了北端的50km和南端的15km。主要的施工工序为：征地、测量、扫线、管沟开挖、管道焊接、自检、三检、防腐、阴极保护、光缆、管道下沟、管线回填，施工过程中重点推广了一些先进的施工方法和技术措施。

7.1 大流水作业

包钢建安集团采用了大流水作业的组织方式，对每一道焊口的焊接作业时间进行了详细的测算和成本分析，优化了人力、机械的调配，创造了日焊接104道口的记录。见图5、图6。

图5 包钢建安集团管道焊接网络图

图6 包钢建安集团焊接网络优化

7.2 管道下沟

管道下沟时，因无专业吊管机械，中国二冶率先采用了3台50t履带吊和1台反铲配合的工法进行下沟作业。建安集团在此基础上，采用长输管线大变形理论和结构力学的计算结果，对方案做了细化和调整，50t履带吊增加到4台，反铲增加到2台，确定了最大起吊高度和最小吊点间距，稳定性更好，安全性更高，效率提高，达到了每天1km的平均速度。见图7、图8。

7.3 管沟回填

管沟回填时，严格执行了管周边300mm内回填细沙的做法，有效解决了管壁3PE防腐层保护和管道弹性敷设的问题。回填完毕后，上部覆土300厚，预留沉降量。见图9。

7.4 无缝管热矫

因为包钢自产无缝钢管的壁厚、椭圆度生产合格指标大于施工标准的要求，生产要求误差3.2mm以下即可，而施工标准要求1.6mm以下，故导致最北端19km无缝管的焊接质量合格率降低，主要表现在对口间隙、错边量、内焊缝余高的超标。为解决此问题，包钢建安集团先后采用了码单级配、现场级配、机加工、力学检测等技术手段，最终采用了热矫复圆的手段成功解决，一次合格率达到76%以上，返修合格率100%。其余焊口的合格率在98%以上。

图7 管道下沟的变形计算

图8 管道下沟的力学分析

图9 管沟回填示意图

7.5 冬季低温焊接

因工期紧急，近半数的焊口要在低温条件下进行。自2008年11月7日到2009年1月6日为冬季施工期，白云鄂博地区冬季极端低温达-32.6℃，期间两家单位总计完成了水管2843道、矿管1619道口的焊接，分别占总焊口数量的13%和26%。为了确保焊接工艺要求，采用了自控温电加热带的方案，电加热带采用红外线高温复合陶瓷材料，配合温控装置和特制保温棚、耐高温硅酸铝纤维保温棉等技术手段，实现了快速升温、恒定温度，根焊预热温度及层间温度保持在在100℃～120℃之间，焊后温度150℃～180℃之间，缓冷时间在24h以上，经检测低温条件下的焊口全部合格。

7.6 管线压力测试

回填后，对全部的管线进行了严格的压力测试。试验压力按内压力曲线取值，上限为屈服强度的90%，最高一段的试压力达到28.3MPa，试压头的试验压力为34MPa。根据水源情况，分5段、7段打压，各分段压力值见表9。试压过程中，出现一处母材爆裂和焊缝渗漏，重新返修后再次试压合格。见图10。

图10 最高压力段试验记录(K0～K29070)

8 结语

包钢矿浆管线工程是继太钢尖山、昆钢大红山之后，国内第三条铁精矿矿浆管线，也是第一次在高原严寒条件下施工的管线。其压力之高、难度之大，超过已建成的两条管线，也超过西气东输管线。项目的成功，对我国发展浆体长输管线技术、开发边远山区矿产资源具有重要意义。

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