长距离浆体输送管道安全运行操作控制实践与应用

李培凤 ，杨利国

(太原钢铁集团(有限)公司矿业分公司尖山铁矿，山西 太原 030300)

0 引言

目前全世界已有20多个国家使用管道输送固体物料，我国除在石油系统采取液体长距离管道输送外，在冶金、煤炭、化工等行业已开始使用长距离管道输送技术，特别是冶金矿山，对这项技术提出迫切的需求。华北某铁矿经引进建设的两条长距离铁精矿输送管道已经投入应用，其产品铁精矿由管道直接输送到炼钢厂区。固体水力输送，尤其是高浓度浆体输送，有很多优点，与其他传统的运输方式相比，管道建设周期短、投资少，运量大；维护简单，便于自动化控制，运输成本低；受地形条件的限制少，易于克服自然地形的障碍；管道埋设在冻土层以下，不占地或占地面很少；输送过程中无损耗、无泄漏、无污染，对环境和生态无影响，社会效益显著；管道输送不受气候条件的影响，均衡输送、安全可靠。但是长距离管道输送方式对物料的粒度、输送流速、和输送浓度等技术参数及安全运行操作控制有严格的要求。

1 管道系统概述

华北某铁矿铁精矿输送系统，采用世界先进的管道输送技术进行长距离重介质固体物料输送，是国内金属矿山系统首次采用的新工艺，共有两条管线，第一条管道在1997年7月正式投入运行，第二条管道在2005年9月正式投入运行。

管输系统分为前处理站、后处理站和中间管线三部分。前处理泵站位于山西省娄烦县马家庄乡，后处理阀门站位于太原市炼钢厂区，全线一级泵站。管道起点地形标高海拔1 334.5 m，终点地形海拔标高809.0 m，全长102.23 km，埋地段约82.5 km，跨越段约2 km，隧洞段约17 km，桥挂管段约0.5 km。管道地处山地、丘陵地带，沿途地形复杂，19次穿越汾河，2次穿越铁路，5次穿越公路，通过17个隧道。管线埋深在1.2 m冻土层以下，穿越汾河流域在3～4 m以下，管线外部包覆一层高密度聚乙烯包覆层，管线阴极保护采用牺牲阳极和强制电流两种方法。

管道外径分别为Ф229 mm、Ф243 mm。两条管道除个别管段外都是平行敷设，设计最大工作压力为15.3 MPa，除首末站外，不设中间站，线路中间也不设截断阀室。全线管道敷设坡度小于10%。

2 输浆管道工艺技术指标及控制要求

1)管输工艺系统工艺技术参数控制范围见表1。

表1 管输工艺系统工艺技术参数控制范围

2)管道允许的腐蚀裕量：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)管道保护系统管地电位：要求在-1.5～-0.85V之内。

4)管道埋深要求1～4 m不等，实际埋深大部分为1.5 m左右，河流穿越段为3～4 m以下。

3 管道的日常工艺管理与控制情况

3.1 严格的工艺管理与过程监控

1)输浆参数的控制：在正常输送矿浆期间，要监测进入矿浆槽的浆体性质，岗位操作工根据在线仪表显示值及时调整到要求的控制范围内，每隔4 h从检测环管采取矿样，在计量检验室做粒度分析、矿浆重量浓度、pH值。分析结果与相应的仪表读数相比较并进行必要的调整，若矿浆粒度组成不在范围之内，要通知有关人员采取必要的调整措施。不符合矿浆特性的矿浆不允许进行管道输送，反回搅拌槽或浓缩大井重新制浆。

2)管道输水要求：必须按规定加入除氧剂亚硫酸钠溶液,按标准配制溶液浓度，并保证正常情况下溶液能按要求量输入管道。

3)精矿管道检测和检查：管道壁厚定期检测分析、阴极保护电位定期检测分析、管道外部防腐层破损漏点检测修复、管道定期巡检维护、管道附近施工处的监督检查和管道跨越段、桥挂管、穿越(公路、铁路和河流)等危险部位的重点检查，发现问题及时组织处理汇报。

4)分析优化：技术人员对各类指标进行统计及偏差分析，及时修订作业标准,对存在的问题及时提出解决方案并组织处理。

3.2 严格按标准操作

1)管道可以进行短时间带浆停车再启动，在生产过程中，持续进行现场试验，确定管道带浆停车时间为16 h。如计划停车时间超过16 h，整条管道必须用水冲洗。管道带浆再启动时，必须带水启动，运行正常后，可以切换矿浆。带浆停车前，要用水冲洗主泵和进口管道。

2)停车再启动操作开始前，打开泵站的工艺水阀门。观察终端阀门站压力升高到最大静压水头，确认管线是畅通，然后开启终端阀门，开始启动喂料泵和主泵。

3)冲洗水用于管道启、停车时对设备和管道的冲洗。用水冲洗时，需要在水中加入Na2SO3溶液消除溶解氧，控制管道和设备的腐蚀。

3.3 必要的工艺安全设施

安全设施第一级是主泵出口高压管道压力变送器高压联锁装置，运行中的管道压力超过联锁设定值15.3 MPa，主泵联锁停车，保护主泵和管道安全；第二级是主泵的安全阀，在主泵出口压力达到17.7 MPa时，安全阀打开进行卸压，防止对主泵和管道造成损坏；第三级是终端高低压安全破裂片PSV-267 和PSV-267B的保护。如果主泵在运转的情况下，突然关闭管道终端高压阀门，或在终端高压阀门关闭的情况下，主泵突然启动，两种极端恶劣的情况下，为了保护主管道，该安全破裂片PSV-267和PSV-267B会自动破裂，将管道的压力释放。

3.4 管道腐蚀控制

1)内腐蚀控制：从有氧腐蚀进行预防，优化除氧系统，确保计量泵流量可适时调整，处理量完全能满足添加需要，并定期用测量管道冲洗水的溶解氧含量，及时调节除氧剂的添加量。另一方面定期完成矿浆腐蚀试验，及时调节输送矿浆pH值控制中值到最佳值，并给定控制范围。

2)外腐蚀控制：采用外防腐层加外防腐阴极保护系统联合保护，定期检查维护防腐层，减少防腐层漏点，定期对阴极保护系统进行检测评价，保证保护系统运行正常，延缓管道的腐蚀，延长管道使用寿命。

3)腐蚀测量：在线腐蚀程度探测器，定期对管道内壁点蚀现状检查，进行劣化倾向分析。

3.5 管道沿线壁厚分析

管道壁厚超声波测量，选择具有代表性的管段作为测量点，每个测量点沿管道径向确定6～8个位置进行测量，定期分析精管道剩余壁厚情况。

3.6 完善的应急预案

结合实际泄漏的处理经验不断完善精矿管道泄漏处理应急预案，并定期进行操作演练。

4 管道运行过程中出现的问题及改进措施

4.1 管道沿线隐患治理

针对管道日常巡检梳理出的安全隐患、外界施工对管道的影响，制定可行的隐患处理计划，对存在较大安全隐患的管段进行设计更换；

定期利用先进的检测技术，制定综合评估检测方案，对管道全线外防腐系统、管道局部受伤变形、管道剩余强度、剩余寿命及超标缺陷的安全状况进行全面评估。

4.2 管道内壁结垢清理

矿浆管道连续运行几年后，主管线开始出现结垢的影响，主要表现为主泵出口压力上升趋势明显，限制了管道的输送量，严重制约了生产，对管道结垢情况及如何处理进行研究分析。结垢状况及垢样全分析见图1及表2。

图1 管道高压区结垢状况

表2 垢样全分析

分析精矿管道垢样成分，高压区以Fe2O3为主，低压区以CaCO3为主，结合精矿管道结垢情况及大量实验结果，得出管道内壁结垢的成因为，在一定条件下，水中的Ca2+首先析出，形成以CaCO3的形式附着在管壁上，矿浆在流动过程中，小颗粒不断吸附在CaCO3上面，并被冲洗水及矿浆带入的游离氧氧化成Fe2O3，日积月累形成以CaCO3为晶核的Fe2O3包覆层。

化学清洗除垢：依据结垢的形成机理，利用低浓度盐酸浸泡垢层，将结晶体中的CaCO3彻底分解，Fe2O3包覆层自然脱落成粉末状。设计管道加酸工艺，将工业盐酸和生产循环水按一定的配比，输入精矿管道，在管道内分段浸泡，定时启停管道主泵，依据实验室经验，合理控制酸液浸泡垢层时间，经过三次注酸，成功清理管道内壁结垢层，管道恢复正常运行。

在线物理除垢：随着生产输送任务的加大，酸洗除垢需系统停车且耗用时间长的问题被暴露出来，为减小对生产的影响，进一步优化管道结垢清理工艺，减缓管道结垢速度，研究机械清管技术在重介质矿浆管道中的适应性。利用机械清管器对结垢进行分层清理，针对精矿管道为渐变内径的非标管道，研发的一套适用于长距离渐变内径浆体管道的机械清管器物理除垢工艺，及尺寸渐变清垢能力由弱变强的机械清管器，既能保证一次清垢量，又不会使清理出的垢大量堆积造成清管器卡堵；既能克服高压矿浆强力冲刷，完整通过102 km全程，又能保证足够的弹性通过管道的轻微变形处。同时清管器设计安装跟踪定位系统，屏蔽铁矿浆的电磁干扰，对清管器准确定位。成功实现了不停输在线物理清管，对管道无损伤，安全环保。机械清管技术在重介质矿浆管道中首次成功运用，在国内外长距离固体物料输送管道结垢问题的处理技术领域具有重大的借鉴作用。清管器组见图2。

图2 清管器组

4.3 管道泄漏防范措施

1)精矿管线位置进行探测定位，将具体位置现场做标识，并完善到精矿管线档案。

2)选管道沿线有代表性的管段，特别是穿河段，对防腐层状况及管道外壁状况进行定期摸排检查，及时修复破损的防腐，逐步更换本体受伤的管段。河道穿越、跨越地段根据管道的标高及现场周围实际情况，局部加装套管，同时确定上游安全的割口排放点，集中收集排放物，进行环保处理，防止管道泄漏直排至河道内造成水源污染。

3)引进先进的封堵设施，优化泄漏抢修方案，尽量缩短泄漏时间，减少泄漏量。目前带压封堵技术、带高压阀门的封堵三通已成功使用，可以根据泄漏位置及漏孔状况选择封堵器，提高抢修效率。

4)抽检有代表性管段，委托专业机构进行性能检测评估，包括化学成份分析、拉伸性能测试、冲击韧性测试、壁厚、内径、内壁、外壁腐蚀情况检测。检验管道的强度、耐压及磨损、腐蚀情况，了解达到使用寿命后，管道本体的承压状况。

5 结语

固体物料长距离管道输送的优势已逐步显现，矿物运输对长距离管道输送的需求日渐扩张，确保管道输送系统安全运行的关键是完善的工艺设计、标准的操作及维护、新工艺新技术的不断优化。目前该矿两条铁精矿输送管道已安全稳定运行23年和15年，管道原设计寿命20年，从磨损情况分析预计使用寿命可达到30年。