不锈钢内衬复合管在矿井下超长距离供液的应用研究

雷亚军，杨建辉，韩春福，王 亮,2，宁永威

1陕西陕煤曹家滩矿业有限公司 陕西榆林 719000

2山东科技大学 山东青岛 266590

超长距离供液技术是目前国内煤矿综采工作面装备配置的一个新技术，其特点是将乳化泵站、喷雾泵站与回采工作面移动设备分离，通过高压输送管道将高压乳化液、高压喷雾用水输送至回采工作面，同时保证支架液压系统末端压力、采煤机内外喷雾和支架喷雾使用要求[1-3]。

使用高压胶管供液容易造成管路鼓裂，对人员和设备安全造成威胁，同时造成乳化液的浪费[4-5]。采用合金复合管不仅避免了管路接头变径引起的压力脉冲和高压胶管脱皮现象，而且可回收重复使用。此前的煤矿远距离高压供液输送管一般都采用了超高压无缝钢管，对内外表面进行防腐、防氧化处理，但是处理后的表面，在供液时管路内部冲击容易造成防护层脱落，会造成钢管内部腐蚀，对乳化液造成污染，也会相应地缩短管路中零件的使用寿命[6-7]。在 1 000～3 000 m的距离，回采相对时间较短，此工艺满足远距离供液的需求；但对于超过 6 000 m、长时间回采的工作面，就很难达到防腐、防氧化并且供液过程压损小的要求。

通过对矿井下超过 6 000 m 供液过程进行研究，使用了一种内衬不锈钢复合管，对其性能进行对比讨论研究，并加以现场试验验证，最终确定该复合管可以达到良好的防腐、防氧化且供液过程压损小的使用要求。

1 不锈钢内衬复合管性能对比

1.1 对比分析

一般输送钢管内壁表面酸洗磷化或者镀锌处理，两者防腐寿命均可达 2～3 a，成本较低[8-9]。另外一种钢管内壁喷涂环氧树脂工艺，其优点是能有效防止管道氧化腐蚀，减小液体流动阻力，但其缺点是成本较高，不易操作，不易喷涂，高压冲击环境下易发生剥落，对过滤系统和阀门造成堵塞，高压状态下防腐寿命为 1～3 a。

以上几种表面处理的钢管都无法满足煤矿井下6 000 m 以上超长距离的供液需求，也无法保证供液系统长久的稳定性。为了满足超长距离供液所达到的防氧化、防腐的要求，现使用一种将不锈钢压制到高压无缝钢管内壁制作出的不锈钢内衬复合管。不锈钢为 0Cr18Ni9，其中含有 18%的铬，在输送水、气、油、乳化液等介质时，管道内壁形成的极薄的氧化铬薄膜能有效阻止金属继续氧化，具有较强的耐腐蚀性能，可以承受弱酸弱碱的腐蚀。不锈钢内衬复合管的不锈钢厚度为 0.3～3.0 mm，而镀锌钢管的镀锌层厚度仅为 0.07 mm，厚度相差 5～17 倍，且不锈钢的耐腐蚀性和密封性也强于镀锌层，不锈钢内衬复合管在使用过程中不会因内壁锈蚀产生结垢、结瘤而使内径缩小。

对于现场应用收集到普通钢管与不锈钢内衬复合管随着时间推移末端出口压力情况，如图 1 所示。

图1 管路出口压力随时间的变化曲线Fig.1 Variation curve of pressure at pipeline outlet with time

由表 1 可以看出，不锈钢内衬复合管明显具有耐腐蚀、阻力小、寿命长的优势；随着时间的推移，普通钢管压损明显，而不锈钢内衬复合管基本没有压损产生，与普通钢管相比，压损小的优势比较明显。

表1 不同材质供液管使用情况对比Tab.1 Comparison of liquid supply pipe with various material in application state

1.2 防腐性能改进

目前不锈钢内衬的制作方法，是将不锈钢套管穿入钢管内，采用旋压工艺，把不锈钢压制到钢管内壁，使之与内壁有效贴合，管路两端采用封焊工艺，如图 2 所示。

图2 管路两端封焊工艺Fig.2 Sealed welding process at both ends of pipeline

在沟槽连接管道中，不锈钢内衬与基管为 2 种材料的复合，管道内通入溶液时，会出现电化学腐蚀，这是这种工艺唯一存在的问题，如图 3 所示。

图3 管路端头电位差腐蚀示意Fig.3 Sketch of position of potential difference corrosion at pipeline end

电化学腐蚀是一个缓慢发生的过程，短时间内不容易被发现，随着时间的推移，2 种金属交界处会出现电位差引起的电化学腐蚀现象。由于不确定乳化液对不锈钢内衬形成的电位腐蚀的影响，所以目前未发现有公司或机构对此进行针对性的研究。不锈钢内衬双金属复合管应用中，笔者专门对此进行了改进研究，制作了不锈钢内衬复合管，采用不锈钢层全覆盖接触溶液的方式，通过焊接不锈钢层后进行电化学腐蚀试验，如图 4 所示。

图4 管路端头焊接不锈钢覆盖层Fig.4 Welding of stainless steel coating layer at pipeline end

2 现场试验研究

2.1 试验地点

陕煤曹家滩煤矿 12 盘区首采煤层 2-2 煤由西到东煤层逐渐变薄，西半区煤层厚度为 10.80～12.56 m，平均厚度为 11.80 m，东半区煤层厚度为 8.08～12.09 m，平均厚度为 10.61 m，东翼采用大采高一次采全高开采，西翼经论证后采用大采高综放开采。设备用于西翼大采高综放工作面，其配套能力为 1 500万 t/a。122108 工作面为曹家滩综采区第 2 个综合机械化放顶煤开采工作面，工作面走向长度为 5 966 m，倾向长度为 280 m。在该工作面采用了远距离供液系统设计，供液系统管路连接示意如图 5 所示，从泵站到工作面端头实际供液管路长达 6 200 m。

图5 远距离供液系统管路连接示意Fig.5 Sketch of pipeline connection of long-distance liquid supply system

2.2 试验设计

由图 5 可知，从泵站到工作面端头实际供液管路长达 6 200 m。从上到下依次是主进管路、回路管路、喷雾管路。管路采用了不锈钢内衬复合管，其主要参数如表 2 所列。

表2 不锈钢内衬管路参数Tab.2 Parameters of stainless steel lined pipe

2020 年 5 月，对该试验进行了现场安装布置，现场管路安装布置如图 6 所示。

图6 现场管路安装布置Fig.6 Layout of field pipeline

通过阶梯打压试验、动态运行试验，验证该不锈钢内衬复合管路系统的耐压性能。通过动态运行测量数据记录，分析该不锈钢内衬复合管路的压力损失，设置对照组，按每隔 50 m 安装 2 支的方式布置。煤层回采时，通过对拆卸下来的钢管进行采样观察，进而对改进了的不锈钢内衬复合管路防腐性能进行对比分析。

2.3 试验测试

(1) 打压试验 在管路安装完成并进行管路清洗后，对该管路系统进行打压测试。分别对乳化液泵高压供液管从 0～40 MPa 分 5 次进行阶梯打压测试，对乳化液泵回液管路从 0～30 MPa 分 4 次进行阶梯打压测试，对喷雾泵管路从 0～20 MPa 分 3 次进行阶梯式打压测试，每次间隔 30 min，期间对系统进行巡回检查，结果如表 3 所列。

表3 管路压力测试数据Tab.3 Data of pressurized test for pipeline

进液管路承压达到 40 MPa，试验压力达到 40 MPa，回液管路和喷雾管路承压达到 20 MPa，试验压力分别达到 30、20 MPa，满足实际情况达到的压力值。

(2) 长期运行试验 管路打压合格后，又进行了综采工作面设备联合试运行、综采工作试生产等环节，随后进入正常的长期性生产运行试验。

3 试验结果分析

3.1 压损分析

运行过程中，在工作面生产运行中每班随机记录当时的流量和对应的两端的压力差值，与系统试运行时的流量和压降曲线进行对比，看数据的偏离状态。随机筛选某班某一时刻的一组数据统计，工作面压降随流量的变化曲线如图 7 所示。

图7 工作面压降随流量的变化曲线Fig.7 Variation curve of pressure drop on work face with flow rate

由图 7 可以看出，除最大流量时系统瞬间压力损失在 6.4 MPa 左右，而工作面大部分时间，供液流量数据的密集区域在 500～1 500 L/min，而对应的压力损失在 0.7～3.8 MPa。实际运行中，在泵站出口压力调到 34 MPa，加之泵站智能流量预测控制技术的快速响应，工作面端的稳定压力始终在 30 MPa 以上，满足工作面支架的使用需求。

3.2 防腐性能对比分析

通过采用高倍放大镜肉眼对比观察 1、3、5、7、9 个月随着工作面回采拆卸下来的管路，记录观察对比数据如表 4 所列。

从表 4 可以看出，普通钢管的锈蚀对乳化液的污染明显。不锈钢内衬用在远距离供液管道系统内，对管道和乳化液质量的保护明显。9 个月的运行显示，管道只有端面有限位置的碳钢部分出现轻度的锈蚀和轻微电化学腐蚀现象。

图8 不锈钢内衬复合管腐蚀对比Fig.8 Comparison of stainless steel lined composite pipe in corrosion

表4 管路防腐数据Tab.4 Data about pipeline anti-corrosion

采用防电化学腐蚀不锈钢内衬工艺的管道，在 9个月的使用时间里没有观察到锈蚀现象。这说明通过在管路端头进行不锈钢全覆盖工艺后，很好地解决了管道端面的锈蚀和电化学腐蚀问题，能够有效地防止电化学腐蚀，明显提高了不锈钢内衬复合管路的防腐性能。

4 结论

通过对比分析、现场试验研究、最终确定不锈钢内衬复合管在超远距离供液中可使压损控制在 0.7～3.8 MPa。通过对不锈钢内衬复合管端头部位进行不锈钢覆盖改进，使得改进后的管路腐蚀现象明显降低，抗腐蚀能力明显增强。不锈钢内衬复合管已经在兖矿集团的东滩煤矿、济宁二号煤矿等矿井下 2 000 m 供液系统中服役时间超过 3 a，预计能超过 5 a。由此推测，改进后的防电位腐蚀不锈钢内衬管道使用寿命完全有可能接近设计寿命 10 a，其应用于煤矿超长距离供液具有明显优势，推广应用价值极大。