浆体管道安全输送技术研究现状与发展趋势*

张 杰，曾 云

(1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500；2.石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台，四川 成都 610500；3.石油天然气装备教育部重点实验室(西南石油大学)，四川 成都 610500)

1 浆体管道输送技术特点与发展现状

1.1 浆体管道输送技术特点

管道运输已成为继铁路、公路、航空、水运之后的第五大运输方式[1]。其中，长距离浆体管道输送是一种高效、节能、环保的运输方式，已被广泛应用于磷、硫、高岭土、铝矾土、石灰石等矿物以及水泥、泥沙等的浆体输送。经过近60年的发展，我国已建成瓮福磷精矿、大峪口磷精矿等矿浆管道输送工程。

浆体管道输送技术的主要特点为[2-3]：①在大规模长途运输中，成本相对于其他运输方式更低；②运输效率高；③设备自动化程度高，维修和管理更加方便；④噪音低、振幅小、无扬尘且不受周围地形和天气的影响；⑤相比于公路和铁路，建设周期更短；⑥输送物料粒度受到一定限制；⑦制备浆体需要大量水；⑧铺设管道会提高成本；⑨只能单向运输。

1.2 浆体管道输送系统

浆体管道输送系统可分为前处理系统、输送系统、后处理系统[4]。前处理系统负责前期物料磨碎、浆体制备等。浆体制备是前处理系统中的重要环节，主要制备合适浓度的浆体，其浓度、酸碱度、物料粒度等需要严格控制，主要包括破碎设备、磨碎设备、筛选设备、浆体浓缩设备、贮存浆体设备等。输送系统主要由管道和浆体泵组成，用以确保物料能够在长途运输中保持良好稳定的输送效率，其可靠性和稳定性关系到生产安全和经济效益。后处理系统主要将送达的物料进行后处理，如沉淀、浓缩、过滤、脱水、干燥等，使物料达到使用要求，同时脱水后的废水因存在大量悬浮物和物料残渣，且酸碱度很高，需经过滤和净化达标后方可排放。

1.3 国内外发展现状

管道运输首先由美国的Walath·C·Andlus[1]在实验室试验成功，并且获得专利权。19世纪40年代末美国铁路运煤价格暴涨，由此促使建成了第一条长距离运煤管道。之后运行实践表明，该管道运输在技术和经济上都取得了很大成功。20世纪50年代末，为供爱迪生公司电厂用煤，一条横贯科罗拉多大峡谷的运输管道开始修建。随后，澳大利亚在萨瓦齐河修建了一条用于输送铁精矿的管道，开启了铁精矿输送新时代，之后管道输送技术得到了快速发展。1977年巴西建成了世界上规模最大的铁精矿输送管道——萨马科铁矿输送管道，其长达397 km，管径508 mm，年输送量达1 200万t。2011年中冶瑞木在巴布亚新几内亚建设了长135 km、管径630 mm、运输能力380万t/a的红土镍矿浆体管道。2014年中信泰富在澳大利亚建设了长30 km、管径813 mm、运输能力3 300万t/a的铁精矿浆体管道。

我国浆体管道输送技术最初应用于尾砂浆体输送，20世纪50年代为浆体管道输送的启蒙阶段，20世纪70-80年代砂泵研制成功，随后建立了多个浆体管道实验中心，建设了多条长距离管道工程；20世纪80-90年代，我国开展了一系列浆体管道研究工作，且取得了实质性进展，浆体管道从准备阶段正式迈入实际应用阶段。1995年，贵州瓮福磷矿建设了长46.7 km、管径210 mm、运输能力200万t/a的磷精矿浆体管道，这是我国第一条长距离矿浆管道。1997年，太钢尖山铁矿建设了长102.3 km、管径229.7 mm、运输能力200万t/a的铁精矿浆体管道；鞍钢调军台选矿厂建设了长22 km、管径225 mm、运输能力302万t/a的铁精矿浆体管道。2006年，贵州开阳磷矿建设了长17 km、管径219.1 mm、运输能力230万t/a的磷精矿浆体管道。2007年，大红山铁矿建设了长171 km、管径244.5 mm、运输能力230万t/a的铁精矿浆体管道，其长度居全国首位，最高海拔和扬送高差分别达到2 182 m和1 512 m。2010年，包钢白云鄂博铁矿建设了长145 km、管径355 mm、运输能力550万t/a的铁精矿浆体管道。2011年，昆钢包子铺铁矿建设了长11 km、管径50 mm、运输能力168.3万t/a的铁精矿浆体管道。2012年，攀钢白马铁矿建设了长95 km、管径273 mm、运输能力300万t/a的铁精矿浆体管道。2013年，贵州瓮福磷矿扩建了一条长46.7 km、管径210 mm、运输能力520万t/a的磷精矿浆体管道；太钢袁家村铁矿建设了长18 km、管径406.4 mm、运输能力740万t/a的铁精矿浆体管道；宝钢梅山铁矿在其山景尾矿库建设了长38 km、管径245 mm(无缝钢管内衬氧化铝陶瓷)、运输能力65万t/a的铁尾矿浆体管道。2018年，陕煤建设的输煤管道长达727 km，年输煤能力达1 000万t，是世界上最长的输煤管道，也是亚洲第一条长距离输煤管道[5]。

2 管道结构安全研究现状

与常规油气管道相比，浆体管道的输送介质更复杂、服役环境更严苛。除了管体及焊缝材料缺陷导致失效外，腐蚀、冲蚀磨损、截面失稳、屈曲变形、振动破坏已成为矿物浆体管道服役安全的主要失效模式[6-8]。特别是在用高压输送的高浓度料浆大口径管道投入运行后，亟需开展浆体管道服役损伤演变机制与安全评价等基础研究。

浆体管道结构完整性面临的主要难题有：

a.输送介质复杂，管道腐蚀和冲蚀磨损严重导致承载能力低、服役寿命短。特别是管道内外壁腐蚀形貌复杂、冲蚀部位预测难度大，亟需提出更为精准的管道腐蚀与冲蚀磨损评价方法。

b.浆体管道穿越区域地质条件复杂，易受外部载荷影响，其承受的载荷复杂多变，管道截面易发生失稳导致浆体泄漏事故。

c.地质灾害、第三方作业等易造成地层变形进而引发埋地浆体管道发生屈曲变形甚至断裂，亟需针对各种工况提出精准的管道失效评价方法。

d.浆体输送站管路系统复杂，起停泵、非均质流等导致管道系统稳定性差，易发生振动失效，缺乏相关理论模型。

2.1 管道冲蚀磨损

影响浆体管道冲蚀磨损的主要因素包括颗粒浓度、撞击速度和角度，颗粒形状、硬度和直径及管壁硬度与强度等。通过大量试验研究，基于表面延展性壁面变化的冲蚀理论逐渐被接受，其认为单个颗粒撞击壁面产生的塑性变形是有限的，但是当颗粒数量增多时会增大塑性变形程度。首个对塑性材料进行规范性总结的冲蚀理论是FINNIE[9]于1958年提出的微切削理论：当固体颗粒撞击金属表面时，撞击造成凹陷并在其周围形成堆积体，其被后来的颗粒撞断并离开金属表面；当颗粒撞击金属表面的撞击角度较小时，颗粒主要表现为对金属的切削作用。该理论比较完整地阐述了金属表面的质量损失与颗粒撞击角度和速度之间的关系，但当加大颗粒撞击角度时，金属表面损失质量比试验值要小。1963年，BITTER[10]认为在冲蚀过程中，金属表面不仅发生了切削磨损，还有变形磨损；他认为当颗粒多次撞击同一个地方时，不仅会扩大凹陷面积，还会造成凹陷表面硬化，表面硬化意味着抗冲蚀性能增强；当颗粒动能较小时，金属表面只存在弹性变形，随着颗粒动能的增大，金属表面不仅发生弹性变形还存在塑性变形。LEVY[11]在1986年分析了金属表面冲蚀磨损的动态变化过程，发现金属表面在颗粒的多次撞击下，形成微小片状碎屑并逐渐脱落。

现有的冲蚀磨损模型是基于不同工况和试验对象表面材料建立的，选用冲蚀磨损计算模型时要选择适合的工况和研究对象。如Finnie切削磨损模型[12]适用于小角度颗粒冲蚀磨损，当用其计算大角度颗粒冲蚀磨损时存在局限性；基于多种因素影响下名义冲蚀速率的Oka冲蚀磨损模型[13-14]研究对象为气固两相流动对水平板的冲蚀速率；Ahlert冲蚀磨损模型[15]是基于AISI1018钢材建立的；E/CRC冲蚀磨损模型[16-17]由Tulsa大学根据多组基于碳钢材料的直接撞击试验提出的，且考虑了颗粒硬度与颗粒形状；DNV冲蚀磨损模型[18]是挪威船级社(DNV)结合试验结果和数值计算结果提出的，适用于直管、弯管、三通管、焊接接头和变径管的冲蚀磨损计算；Menguturk and Sverdrup冲蚀磨损模型是以粉尘在钢管中运动为工况开展冲蚀磨损试验而提出的；Huang冲蚀磨损模型是在考虑了壁面变形与微切削的情况下提出的单颗粒碰撞磨损模型；Hashish 冲蚀模型是在考虑壁面变形与微切削的情况下提出的。

目前关于液固两相流冲蚀试验研究还不充分，相关数值计算结果并没有形成统一结论。在特定工况下的冲蚀磨损理论预测中，对于流动中颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的耦合作用机理还需进一步探索。

2.2 管道腐蚀评价

腐蚀是浆体管道最常见的失效形式之一，常用的管道腐蚀剩余强度评价方法有ASME B31G-2009、DNV-RP-F101、PCORRC和API 579-1。其中ASME B31G-2009[19-20]在其原有评价基础上修正了流变应力和膨胀系数，使评价结果更加准确，适用于强度等级较低的钢管缺陷评价，但不能满足高级钢、大口径管道剩余强度的评价需要；DNV-RP-F101[18-21]适用于在极限拉伸强度状态下的钢管缺陷评价，但不适用于高钢级管道及缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷评价；PCORRC[22]适用于中高强度等级管道的剩余强度评价，其标准为极限拉伸强度，主要用于孤立缺陷评价；基于AMSE标准的API579-1考虑了相邻缺陷的相互影响和附加载荷的影响，但是评价方法过于复杂。

管道缺陷检测技术主要有PCM法、漏磁法、超声波等。PCM[23]又称“多频管中流电法”，可用于评估未开挖状态下埋地管道防腐层的腐蚀情况，其基本原理是将信号发生器的信号线与管道连接，由PCM发射机向管道发送多种特定频率信号电流，PCM接收机能准确地检测到经管道传送的这种特殊频率信号电流，并连续测绘出管道上各处电流强度；管道防腐层良好时接收到的电流信号强，反之则电流信号弱。漏磁检测技术是通过磁场变化检测出金属管道防腐层损失缺陷，准确识别出各管道异常区域，缺陷区管道磁场流动方向会发生异常，从而获得管道腐蚀层异常区域；该技术不但检测速度快且基本不受外界干扰，适合长距离管道快速检测。超声波的检测技术主要分为两种：电磁超声检测技术和压电超声检测技术。电磁超声检测技术会根据管道防腐层厚度产生不同声波信号，接收装置接收信号并根据产生的声波判断测试件内是否有缺陷；压电超声检测技术是对被测管道发射出超声波信号后，在测试件的传播路径中会产生不同的信号，接收器根据声波传播路径接收到的不同信号对管道腐蚀情况进行判断。

2.3 地质灾害

埋地敷设的浆体管道受地层影响较大，特别是跨越地质条件比较复杂的区域，极易受到各种地质灾害威胁而发生变形、断裂，导致浆体泄漏。我国地域辽阔且地质条件复杂，如西部地区易出现滑坡、泥石流、风蚀沙埋、盐渍土、地震断层、冲沟等；中部地区易出现滑坡、泥石流、洪水、塌陷、断层等；西南地区易出现崩塌、滑坡、泥石流、塌陷、断层等[24]；东部地区易出现地面沉降、地裂缝、塌陷、洪水等。

地震灾害对管道破坏的原因可分为两种[25]：①断层等地面永久变形造成管道发生较大位移，导致其破裂或断裂失效，危害性极大；②地震波动对管道造成的破坏相对较小。地震断层运动作用下管道破坏形式主要有拉伸失效、局部屈曲失效和梁式弯曲失效，管道接口破坏失效，三通、弯头、闸阀等组件连接处破坏。

当管道在滑坡体中下部时，因承受滑坡体的巨大拖拽力而发生弯曲、拉裂等[26]；当管道在滑坡体中上部时易出现悬空或拉断。因而，针对易滑坡段可采取适当加固措施，并修筑截、排、导水系统等。

落石是山区常发生的一种自然灾害，具有分布范围广、发生突然、发生频率高、难以预防等特点。高程差较大的区域，落石冲击管道或其上方覆土产生巨大瞬时冲击载荷，会引起管道变形失稳甚至破裂泄漏[27]。

人为和自然地质作用下地表岩土向下陷落形成塌陷坑，特别是地下水抽取、渗水、振动、超载、采空等极易引发地面塌陷，造成管道弯曲变形、悬空或断裂[24]。我国长三角、广东、福建等地区的软土承载能力弱、孔隙比大、压缩性强、灵敏度高、易受扰动，当地面出现超载时，地表沉降量大，持续时间长，会危及管道安全[28]。

由于回填土和地基属于多相松散体，具有高压缩性、黏弹塑性、抵抗剪切性等特点，以及管土耦合作用、围土变形存在不确定性，使得管道力学研究较为困难，工程中通常采用简化模型来分析管道相互作用[29]。

目前，针对埋地管道研究中的管土模型主要有3种：弹性地基梁模型、土弹簧模型和非线性接触模型[30]。弹性地基梁模型属于静力模型，将管道假定为梁，管道围土均匀分布，其简单易算，被工程界广泛采用[31]；土弹簧模型中，围土被简化为一系列等效弹塑性弹簧，弹簧刚度和自由度由土壤性质和变形方式决定，该模型不能模拟非线性管土接触及摩擦[29]；将理论分析和数值手段相结合建立非线性接触模型并考虑管土耦合，是一种比较合理的解决方案[29]。

2.4 第三方活动

我国近年来地面建设活动频繁，第三方施工如打桩、强夯和挖掘等时，对管道定位不清，或没有按照法律法规要求施工将严重威胁管道安全运行。如：庄稼地下的管道可能会受到农忙季节的机械作业和人工耕作影响而发生破坏；下穿公路的管道，如果路面超载将使管道受压变形。

针对第三方活动造成的管道破坏，可通过监测振动信号、采集现场图像等手段确定第三方破坏类型，并对破坏点进行定位和维护。目前常用的管道监测方式有光纤、声波、地震检波器等[32]。光纤传感技术可对管道振动进行监测，在其未发生破坏时提前预警，但光纤易受到土壤环境的影响；声波监测技术主要通过在管内外壁安装高灵敏传感器监测振动信号；地震波传感技术主要通过在管道沿线设置多个地震传感器采集周界地震波信号，经过处理、特征提取和模式识别进而确定振动诱因。随着遥感及图像处理技术的发展，无人机巡检技术得到了广泛应用，巡检效率得到了极大提高。

3 浆体管道输送技术研究现状

3.1 浆体管道摩阻损失

摩阻损失是浆体管道重要的设计参数之一，直接决定了输送系统加压泵站大小和数量，如果计算值偏大会造成浪费，偏小则会使生产运行不可靠[33]。固液两相流的摩阻损失计算较为复杂，主要涉及浆体颗粒形状、粒度，浆体浓度、流速、黏度，管壁材料、粗糙度、管径、铺设斜度等。特别是管内浆体一般属于非均质流，大粒径颗粒悬浮需要能量大且会和其他颗粒产生碰撞导致摩阻损失。大粒径在运动过程中会产生上举力，使悬浮更容易；小粒径能在一定程度上减少摩阻损失，但会导致浆体黏度变大。

许多研究采用模拟试验，结合经验公式，比较分析得到摩阻计算公式，如：Durand公式利用天然砂进行试验得到了摩阻计算公式；Newitt模型认为除了水和管道壁会产生摩擦外，固体颗粒也会和管道壁产生摩擦从而造成摩阻损失；Wilson基于力平衡理论提出了颗粒浆体的两层模型；白晓宁等[34]基于大量数据分析提出了浆体阻力损失计算模型；许振良[35]提出用清水代替浆体研究水平管道的摩阻损失；孙琪[36]基于两层理论从动量交换角度出发，采用等效模型，提出了伴随滑动床粗煤浆体摩阻损失的计算模型。

3.2 输送不稳定性

正常情况下浆体管道的全部管段都应该是满管填充状态，但管道在翻越陡坡或倾斜敷设时，液体在到达峰值点后还会继续流动，导致垂直方向上管道出现不满流现象。该现象会引发水击、负压、气蚀等问题。不满流往往存在于翻越点(将液体输送至某一峰值点所需压力比输送至终点压力大时的点)前后管段内，找到翻越点即能够找到不满流分布情况。

管道形成不满流时，空穴管段前后的压强不同，空穴之后的压强小于大气压强而形成负压，由于液体的连续性导致负压现象会向后传递；管道长期处于负压状态会导致运行不稳定，同时负压也是导致水锤现象的主要原因。实际运行中应避免长期负压运行，通过传感器测定负压波传导时间可定位管道泄漏点。

水击现象又称水锤现象，是管道内液体流速和压强突然变化所致。对于浆体管道在地势变化较大的地段，管道内液体流速、加速度、压强都会发生骤变，从而产生水锤现象。而水锤现象分为无水柱分离水锤和断流弥合水锤[37]，前者的形成不会出现断流，而后者因为在管道峰点处由于阀门关闭导致部分液体无法回流从而形成空穴，而再次开启阀门时两股水流会发生剧烈冲击。水锤现象会引起管道振动，严重影响管道系统中其他设备的运行，甚至导致阀门失灵、管道破裂等事故。

管道不满流经常会伴随气蚀现象发生，因为液体在高速环境下或者压力变化的条件下长期与金属接触，导致金属表面出现类似腐蚀的空洞侵蚀现象。不满流管道中，当出现水锤现象时流体瞬间速度和压力变化非常大，管道内壁在长期磨损中会逐渐出现气蚀现象。

3.3 临界速度

浆体管道中固体和液体之间存在能量转化等复杂作用，许多学者通过研究得到了一些计算模型，但基本都是建立在特定工况下。临界速度为浆体管道设计的重要参数，学者对于其定义也不完全相同。如：KÖKPINAR等[38]提出了一种预测水平浆体管道临界速度的经验公式，讨论了固体颗粒浓度对沉降速度的影响；DORON等[39]通过小规模试验确定了大颗粒物理特性对水平管道输送的影响，用不同尺寸和密度的氧化铝和玻璃校准球进行了模拟试验，认为当混合速度小于临界速度时，会出现静止床层流动状态，该层上方出现致密球层，压降慢慢下降，当混合速度大于临界速度时，粒子开始处于悬浮状态，在临界速度附近出现具有紧凑移动床的单独流动状态；张焕成[40]分析了浆体管道中固-液两相流的运动特性，将其划分为沉降性浆体和非沉降性浆体，从动量入手建立了具有普适性的沉降性浆体流速分布模型；丰庆平[41]对铝土矿浆管道运输特性进行了研究，认为临界速度应采用淤积临界速度；孙琪[36]认为临界速度是指当固体颗粒由沉积状态慢慢滑动加速，直至所有固体颗粒全部浮起来时的最低速度。

4 浆体管道发展趋势

随着浆体输送技术和装备的发展，长距离管道将向大口径、高压力、高钢级和智能化方向发展，浆体管道的敷设工艺技术水平将大幅提升，敷设成本也将更低。

随着新材料和表面技术的发展，浆体管道的耐磨性能和抗腐蚀能力进一步提升，同时管道本体缺陷的力学研究需要进一步加强；检测技术、评价方法、大数据、信息化需要高度融合，结合浆体管道智能控制系统，实现对管道的实时预警和维护。

基于物联网的管道监测技术、工艺智能优化与控制，将为管道输送安全提供保障；自动化、集成化、绿色化的浆体管道装备也将为管道输送保驾护航。