长距离高扬程尾矿回水管道选型探索

张剑峰

（宝鸡西北有色七一七总队有限公司，陕西 宝鸡 721004）

尾矿回水管线设计是泵站设计当中的重要环节，特别是长距离、高扬程尾矿回水输送系统在生产中应用很普遍。在泵站设计当中，实际运行回水流量值偏小现象比较常见，采用实际回水流量等参数演算发现，管径尺寸大小及管道耐压等级是关键，甚至直接关系泵站能否达到设计回水量成败的关键，且关系工程投资、施工难易程度、水泵的选型、运行成本及水力输送系统的长期安全稳定运行，应该予以特别重视。文中介绍了一种简便易行的回水管线规格型号选型方法，在尾矿回水管线设计中取得了很好的使用效果。

1 常规输水管道选型

常规输水管道选型首先是水头损失的计算，其次是总扬程计算。水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失，水头损失计算包含两部分：沿程水头损失、局部水头损失计算，水头损失计算过程中确定管道材质与管径。管径选择的正确与否，是保证供水水量达到设计输送量的关键，且和管道承压压力、液体流速、扬程损失、水泵额定功率能否正常发挥等密切相关，管径的大小与液体流速密切相关，且直接影响其他要素。一般来说，液体流速选择1.1-1.5m/s比较理想。

不同材质的管道糙率不同，短距离输水管线可以忽略糙率对水头损失的影响，管道糙率在长距离输水管线水头损失计算中非常重要。钢质管线承压高但表面粗糙管阻大，易结垢；塑料管线承压较钢质管材低但表面光滑管阻小，不易结垢。在满足承压要求的前提下，应选择重量轻、耐磨损、抗腐蚀、管阻小、不易结垢、方便施工及运行管理的塑料材质管线，通常整条管线采用同型号、相同耐压等级、材质的管道。

长距离高扬程水利输送管线设计，首要考虑管线承压问题，选择足够耐压等级的管道是保证安全稳定运行的前提。

2 管道选型应用实例

2.1 工程概况

该尾矿回水工程管线设计总长3755m，回水量200m³/h，垂直落差220m，建设泵站一座，水泵选择多级离心泵，型号：D155—67*6、扬程：354m、流量：185m³/h，电机功率315KW。

该泵站采用双母管平进水、双母管垂直出水的形式，泵及管线均为一用一备，将尾矿废水由尾矿库输送至选冶厂生产用高位水池。该工程处于山区，地形复杂、地势高低起伏变化较大，材料运输困难、施工难度大。经现场踏勘及论证，尾矿回水工程输水管道设计中采用三段不同材质、不同耐压等级的管道，回水量稳定可靠。三段管线自泵出口至高位水池连接顺序如下：无缝钢管175m，钢丝复合管995m，焊接钢管2585m，总计3755m。

图1 尾矿回水工程管线设计施工图

2.2 管道常规选型

首先进行水头损失计算，沿程水头损失计算网络上有大量小软件可以使用，非常方便准确，在此不做叙述。局部水头损失计算较为复杂，一般取沿程水头损失的10%-30%，具体取值根据阀门、弯头等管件的数量确定，通过计算得出总扬程值。具体计算公式如下：

H=h+10m+hy+hj

式中：H为总扬程，m；h为垂直落差，m；hy为沿程水头损失，m；hj为局部水头损失，m.

计算中，回水运动粘度选用1.137cSt及钢质材料的管道绝对均匀度，回水量值200 m³/h、垂直落差220m，管线长度3755m，局部水头损失取沿程水头损失的30%。

计算结果：H(总扬程)=257.53m

2.3 理论联系实际，灵活选型

该工程属尾矿回水泵站设计，尾矿回水内成分复杂，依常规选型确定回水泵及管线型号规格，会出现设计回水流量和实际流量不符的现象，因而在总扬程计算中加入了经验值，放大局部水头损失取值基数，增加预留扬程(hl)，计算简便易行。

即： H=h+10m+hy+hj+hl

式中 ：hj=20%*（H+10+hy）

Hl=20%*（H+10+hy）

计算结果：H(总扬程)=352m

依据上述计算结果管道选型：无缝钢管、管径DN225、壁厚9mm。

无缝钢管单根长6m，单根重量达321kg，山区野外施工中机械设备无法使用，需人力运输，加之焊接电源接入困难，造成施工周期延长，人工投入加大。鉴于此，需打破常规进行管道选型，选型依据如下：

压强计算公式：P=ρgh

式中：P为压强，Pa；ρ为密度，kg/m2；g为常数 g=9.8N/kg，h为深度，m.

压力计算公式：F=PS

F为压力，N；P为压强，N/m2，Pa；S为受力面积；m2.

从上述压强压力计算公式可以看出，液体的压强只跟液体的深度和密度有关，跟其他因素无关，那么也就是说在受力面积相同的情况下，回水管道承受的压力只跟液体的深度有关；换言之，在落差220m的管线中，不同落差范围内的管道承受的压力不同，距离管道出水口越近，管道承受的压强及压力越小；反之，距离管道出水口越远落差越大，管道承受的压强及压力越大。

根据上述计算公式，依据现场实际情况将管线分段，选择不同型号、耐压等级以及管道材质，满足输水工程需要，降低投资成本及施工难度。选型结果如下：9mm厚DN225碳钢无缝钢管175m，耐压：4.0MPa以上；DN225钢丝复合管995m，耐压3.2Mpa； 8mm厚DN225焊管2585m，耐压：2.5MPa以上；采用了3段不同材质、耐压等级的管道。

2.4 生产运行效果

经过2年的生产运行跟踪，使用便携式超声波流量计监测，输水量达195 m³/h，单位时间内输水量较水泵额定流量略高10m³/h，未出现电机超载、管道爆裂等不良现象，运行稳定、可靠。

2.5 选型注意事项

在流量扬程确定的情况下，管径越大，流速越低水头损失越小，设计流量在实际生产中越容易得到保证，并非管径越大越好，管径选择太大一是不经济；二是不利于施工；三是会造成流量过大电机超载。一般来说水力输送流速选择1.1-1.5m/s，在此流速范围内确定的管径比较理想；

管线设计不能忽略管道伸缩补偿装置、排气装置的配置。长距离管线运行当中，受环境温度的变化影响，出现热胀冷缩现象，管线弯曲变形，水头损失增大而影响流量，管道补偿装置的应用会避免此现象的发生；另外，输水过程中受多种因素影响，管内会产生大量气泡影响流量，需合理匹配排气装置，消除气阻现象，减少水头损失。

水泵选型必须严格按照生产厂的标准型号选择，忌选非标型号水泵。

水泵电机功率匹配选型必须合理。文中《应用实例》多级离心泵标准配置电机功率280KW并非315KW,此为选型匹配结果，运行结果表明，多级离心泵实际输出功率较标准配置电机功率280KW高约10-20KW。

图2 水泵配置内部结构图

电气控制设备选型。矿山泵类电气控制设备宜优先选用泵用型变频器，具有较好的性能价格比，生产中可根据需要调节水泵流量大小，操作控制安全简便，节能降耗效果显著。

3 结论

长期的实践工作当中，发现在回水工程设计方面，存在设计流量和实际流量不符的现象，认真查找原因发现，管径选择不当及总扬程计算失误是造成设计流量和实际流量不符的主要原因。那么，在长距离高扬程尾矿回水管道选型时应综合考虑，尤其是设计中对于水头损失的计算，不能墨守成规、死搬硬套计算公式，必须加入水头损失经验数值，灵活运用理论知识及经验数据，结合实际工况确定管径及材质。另外，长距离高扬程尾矿回水输送系统中，应充分考虑管道不同落差承受压力的不同，合理选择不同的承压管道，以降低投入和施工难度。

说明：文中所附总扬程计算公式当中的“弯头损失”及“预留扬程”计算取值，是经过多年实践摸索出的经验数据，在实际生产应用中效果较好。因环境地域的不同，此经验数据在实际工作当中请慎重引用，谢谢！