我国矿浆管道输送技术水平与挑战.pdf

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Vo1．35№2第35卷第2期矿冶工程2015年04月MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGApril2015我国矿浆管道输送技术水平与挑战①陈光国，夏建新(1．中煤科工集团武汉设计研究院有限公司管道输煤所，湖北武汉430064；2．中央民族大学环境科学系，北京100081)摘要：介绍了近年来国内矿浆管道工程理论研究和管道技术的应用水平及最新进展，总结了我国矿浆管道技术发展中存在的主要困难和挑战，展望了未来矿浆管道发展趋势。关键词：矿浆管道；管道输送；水力输送；固液两相流中图分类号：TD522文献标识码：Bdoi：10．3969／j．issn．0253—6099，2015．02．007文章编号：0253-6099(2015)02—0029—04ExistingTechnologyandTechnicalChallengesinSlurryPipelineTransp0rtati0nDevelopmentinChinaCHENGuang—guo．XIAJian—xin(1．CoalPipingDivision’WuhanDesignandResearchInstituteCoLtd，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Wuhan430064，HuBei，China；2．DepartmentofEnvironmentalSciences，MinzuUniversityQ厂China，Beq'ing100081，China)Abstract：Basedontheintroductionofthelatestprogressinpipingtechnology，aswellastheapplicationofpipelinetheoryintodomesticengineeringprojectinrecentyears，anoverviewofpipelinetransportincludingtheexistingdificultiesandmainchallengesfacingChinainthetechnicaldevelopment，aswellasdevelopmenttrendsandfutureprospectswereallpresented．Keywords：slurrypipeline；pipelinetransport；hydraulictransport；liquid-solidtwo—phaseflow20世纪2O年代末，随着焊接技术和无缝钢管的期探索与立项初见雏形，随之，国内外技术交流和学术出现，全球管道建设进入一个飞速发展时期。矿浆管讨论也开始活跃，有力促进了我国长距离矿浆管道输道输送是继给排水管道、油气管道等大宗物料管道运送技术的工业应用。输方式之后，于2O世纪60年代兴起的一种新的固体1我国矿浆管道输送应用概况物料运输方式。我国矿浆管道技术应用源于20世纪50年代，沿用前苏联的设计模式和计算方法，在一些2O世纪9O年代以来，我国矿浆管道由理论研究偏远矿区建成了几条短距离、低浓度的尾矿输送管迈人工程实施的跨越阶段。我国第一条长距离矿浆管道。20世纪80年代初期，随着我国工业发展对矿道——瓮福磷精矿管道于1995年投产运行；第一条铁产资源需求的加大以及国外浆体管道技术的迅猛发精矿管道——太钢尖山管道于1997年投产运行。我展，国内以清华大学、北京有色冶金设计研究总院、长国矿浆管道输送研究虽然起步较晚，但矿浆管道工程沙矿冶研究院、煤科总院唐山分院、中煤武汉设计研究的成功运行充分验证了固体物料水力输送理论的可行院、长沙冶金设计研究院、鞍山冶金设计研究院等为代性，打通了长距离矿浆管道系统的工艺流程，彰显了矿表的一批科研、工程设计单位相继建成了多个一定规浆管道比铁路、公路等传统运输方式运输成本成倍降模的浆体输送实验室和试验环管系统，开始了大范围、低的经济优势。自此，我国矿浆管道开启了跨行业、长多种物料的矿浆管道输送试验分析和理论研究J，同距离、多流态、多种类等全方位应用发展阶段。迄今为时，国内矿浆管道工程项目，如长江、长城、盂潍青等输止，管道输送的固体物料已遍及铁矿、铜矿、金矿、煤煤管道，平川、尖山、大红山等铁精矿管道输送项目前矿、磷矿、硫矿、铅锌矿、铝矾土、高岭土、镍钴矿、油砂、①收稿日期：2014—10-25基金项目：国家自然科学基金项目(51179213；51339008)作者简介：陈光国(1985-)，男，湖南常德人，硕士，工程师，主要从事矿浆管道输送工程设计和技术研究。 第35卷石灰石、水泥、泥沙、锰结核和富钴结壳等品种。浆体井砾石充填、化工原料运输、电厂灰渣运输、生物料浆管道应用范围已扩展到金属与非金属矿山精尾矿输输送、食品运输等各个工业领域。已建成的浆体输送送、矿山胶结充填、海洋采矿、煤炭运输、河海疏浚、油管道见表1。表1我国已建设运行的长距离矿浆管道工程一览表在取得成绩的同时，也存在不少技术难题和短板瓦斯普的著作最先系统介绍了国外浆体水力值得反思。从我国已有的矿浆管道工程来看，管输工学特性、流体和颗粒的相对运动规律、浆体管道设施及艺和控制系统核心技术仍依赖于西方发达国家，泄漏、管道的经济性分析。钱宁等将泥沙运动力学作为堵管、加速流和水击等现象时刻威胁着管道安全运行，一门独立的学科，全面地研究了泥沙颗粒在重力、流国产泵类和矿浆阀门设备制造工艺和材质与国外相比水、波浪和风力作用下的冲刷、搬运和沉积规律，并较依然存在差距，高压力、大口径的关键阀门设备仍需进早地将管路中的固体输送与泥沙运动规律相结合，率口，矿浆管道特有设备如安全阀、爆破片、耐磨孔板、调先提出了管道水力输送原理。佟庆理对管道和明节阀等目前在国内生产厂家少，或国内产品达不到工槽中固液、气固两相流阻力特性与临界流速进行了研程应用要求，仍需从国外引进，国内矿浆管道人力资源究，并对两相流理论在流化床和旋流器的工业应用作单薄，专业研究和工程技术人才队伍缺失，工程建设相了初步探索。丁宏达等首次系统地总结介绍了浆关法律和标准体系还很不完整，有待进一步改进完善。体管道输送原理和工程系统设计，重点对试验系统、试综上所述，我国是世界上矿产资源生产和消费大验方法、管道系统的设计和运行等问题作了全面的阐国，目前矿浆管道输送技术仍处于起步阶段，作为一种述。费祥俊等全面整理了国内外不同物料的流变新兴的节能环保运输方式还存在广阔的应用空间。随试验研究成果，着重阐明固液混合物的物理特性及不着我国自主设计建造的世界上规模最大的长距离输煤同条件下管道输送的水力学原理。倪晋仁等从理管道——神渭管道工程的建设实施，我国矿浆管道运论研究的角度对两相流流速分布、颗粒浓度分布进行输领域将迎来新的繁荣发展契机。了细致研究，并对颗粒流的运动特性和理论模型进行了探讨和总结。刘大有在国内Cb-相流理论分析2浆体管道输送理论研究和数学模型的基础上，深入研究了一维两相流方程及浆体管道输送是涉及水力学、泥沙运动力学、多相方程组，对两相流方程中的连续介质模型、分子动力学流体力学和流变学的交叉学科。浆体输送理论源于泥模型和颗粒群模型进行了详细地剖析；王绍周等¨将沙运动机理，在国内外大量的实验室小样分析和大样理论和实践相结合，综述了国内外在粒状物料浆体管环管试验研究成果基础上独成体系，并不断发展壮大。道输送研究的有益成果，同时对浆体管道工程现代设 第2期陈光国等：我国矿浆管道输送技术水平与挑战计理论进行了探索。夏建新等卜全面评述了固液切需要发展固液两相流体动力学基础研究。两相流基础理论、非均匀颗粒管道输送、高浓度流体输以往的研究是基于不同物料和不同输送条件所得送流变与阻力特性以及国内近期在复杂矿浆管道输送的成果，缺乏系统性，提出的管道输送参数计算公式使工艺条件下的研究成果和进展。用条件严格，主要以半理论半经验公式为主，不具有通用性，还无法从整体上揭示不同物料和流态的流变特当前，我国浆体管道在常规固体物料的均质流和拟均质流流态工况下，试验和理论研究成果日益丰富，性变化规律。此外，新型管道输送物料，如红土镍矿、理论研究水平日趋提高，基本上满足常规矿浆管道工铜锌矿、铝矾土、粗颗粒高浓度水煤浆、多金属结核等程工艺设计需求，但在粗颗粒、高浓度和非均匀颗粒等矿浆的流变特性和管道输送参数的研究，还需进一步复杂输送条件下，矿浆管道工艺计算仍以经验公式为补充和延伸。主，理论与试验研究亟需深入和拓展。矿浆管道工程于20世纪90年代在我国有了跨越性的发展，至今，已有将近20条超过10km的长距离3存在的主要困难和挑战矿浆管道投产运行。但国内矿浆管道工程建设中往往矿浆管道输送是解决我国能源和矿产资源地域分存在依据标准、规范不统一的争议和疑问。由于我国布不均、开发利用困难的新兴交通运输方式。管道运前期的浆体管道大多引进国外的技术公司设计和运输符合国家节能、环保、节约土地的可持续发展战略。行，因此，矿浆工程标准以美标API、ASME居多。由至今，固体物料水力输送方式已在工业领域跨行业、多于国内行业发展需要，中国工程建设标准化协会于物种普遍推广使用，但总体来看，我国矿浆管道工程呈1998年通过发行《浆体长距离管道输送工程设计规现出运输规模较小、运距较短、管道数量偏少的现状。程》13；，国家住建部于2012年发布实施《矿浆管线施主要存在以下几个方面的困难和挑战。工及验收规范》¨，这两部国家规范推动了我国浆体3．1管道工程建设条件制约管道输送行业的发展，但规范覆盖面窄，条款内容仍不矿浆管道线路长，一般需穿跨公路、铁路、河流、森全面，且版本更新缓慢，不能反映我国矿浆管输行业的林、文物保护区、军事区等众多重点区域和设施，管道新材料、新设备、新工艺、新技术发展进度，我国矿浆管建设方需与繁多的职能部门、地方政府及当地百姓协道建设的标准规范仍有待更新和完善。调配合，管道建设亟需得到国家和地方政策、法律的充3．3输送技术方面分保护与支持。我国矿浆管道技术发展至今，已有近60年的历矿浆管道设计寿命一般为20～30年，建设方须保程，管输技术和经验不断积累，并逐渐走向成熟。随着证管道首端固体物料来源相当充足，能够满足管道运输送范围的迅速拓展，管输工艺和设备不断推陈出新，行期内所需的物料储量，且能持续稳定供给。管道地形条件也更加复杂，建设方对矿浆管道功能期水是固液两相输送必备的载体，我国矿产资源大望也越来越高，管输技术将面临新的挑战。多分布在水源匮乏的高原、山地地区，尤其许多煤炭产1)首端破碎与终端粗颗粒成型的矛盾。某些固区更是“水贵于煤”，水源是制约矿浆管道发展的重要体物料终端用户本来就需要粗颗粒，或者矿浆管道终因素，与之配套的供水、节水工程以及管道终端水源回端需脱水后二次装车转运。目前，粗颗粒管道输送技收利用工程，占据矿浆管道工程总投资相当大的比例。术尚不成熟，矿浆首端破碎和终端粗颗粒脱水成型技目前，国内铁路、公路网已相当发达，汽车、火车一术复杂，且工序相矛盾，但为满足矿浆管道均质或拟均直是我国矿产资源大宗物料的主要运输方式。在我国质流态稳定输送，首端破碎和终端粗颗粒成型需增加交通便利地区，矿浆管道运输一般只能作为辅助性的多道工艺环节，额外付出很高成本。如管道输送炼焦备选方案，如煤炭主产区，输煤管道项目立项决策往往煤和兰炭用煤、尾砂筑坝、深海扬矿等。都不与铁路相“争利”。只有在运输距离足够长，运量2)浆体制备技术纷繁复杂。管道输送对矿浆的足够大且地形复杂、交通不便的地区，矿浆管道的经济浓度和颗粒级配有严格的要求，不同的固体物料物理性和优越性才突显出来。因此，我国长距离矿浆管道特性不同，合格浆体的涵义也各不相同。浆体制备工敷设地形一般很复杂，且运量都较大，这样给管道安全艺纷繁复杂，采用的自磨、球磨、棒磨等磨机设备造价运行和维护带来许多困难。高、使用技术难度大，浆体调制和废浆处理流程复杂。3．2理论基础方面3)高浓度矿浆输送。高浓度矿浆输送在我国工随着矿浆管道技术的兴起，水力输送固体物料的业领域具有重要的应用价值，如电厂和煤化工用水煤种类不断增多，应用领域不断拓展，矿浆流态也变得复浆、尾矿干堆、膏体充填等，高浓度矿浆输送工艺流程杂多样，因此对管道输送理论水平要求也越来越高，迫简单，对降低输送能耗和节约用水具有重要的现实意 矿冶工程第35卷义。但目前高浓度矿浆的定义仍不十分明确，其流态工艺要求的机械搅拌结构参数、储罐高径比、挡板数包括均质浆体、非均质浆体以及宾汉体等多种形态，物目、罐壁厚度和搅拌器支撑形式等一系列结构设计问料组成千差万别、膏体浓度及阻力经常处于波动状态，题仍有待深入研究，尤其是高浓度和粗颗粒矿浆的储其流变特性也不稳定，现有的高浓度矿浆研究成果较浆和搅拌技术至今还未解决。由于固体物料种类的不少，且不具有系统性和通用性。因此，即使高浓度管输同，矿浆脱水工艺和设施也截然不同，过滤、浓缩、干燥硬件设备条件已成熟，但其大型化、长距离管输应用仍等基础环节在不同的物料使用时，脱水成本和固液分存在许多技术难点，有待攻克。离效果差异很大，因此，经济环保的脱水方式是矿4)管道安全运行常见问题。矿浆管道设计和运浆管道技术发展应重点研究的内容。行过程中，由于固体物料种类繁多，所制矿浆酸碱性、5)其它。矿浆管道多泵并联运行、多级泵站接力硬度和腐蚀性各不相同，矿浆的磨蚀与腐蚀性对管材输送、中间泵站越站输送和阀门在线检修技术既是的选型和管道运行承压有直接影响，而目前很难通过长距离矿浆管道技术的重点和难点，也是矿浆管道提实验室准确测试管材的磨蚀和腐蚀参数，所以许多矿高运行保障率和安全系数的核心技术。浆管道采用增加酸碱中和剂、增大管道壁厚年设计磨此外，我国矿浆管道需尽快推进数字化建设，普及蚀余量或采用昂贵的耐磨复合管等方式应对矿浆磨腐“4s”技术和SCADA系统在管道勘查、设计、施工和运蚀危害，增加了工艺环节和管道投资。营管理全生命周期的应用，重视矿浆管道信息和数据矿浆与其它流体最大的区别在于固液分离可能产库的构建，努力提高矿浆管道自动化控制水平。生管道堵塞，这是矿浆管道长期面临的最大安全威胁，4技术展望矿浆级配、浓度、临界速度等输送参数，以及浆体颗粒絮凝作用和电离吸附(如铁矿磁铰链)等是导致堵管2013中国国际管道大会上，与会的国内外专家共的内因。管道事故泄漏也是造成堵管的重要原因之同勾画了未来管道的蓝图：“我国长输管道将朝着更一。管道泄漏原因错综复杂，既有管道系统自身的原大口径、更高压力、更高钢级、更多介质和更加智能的因也有外部环境和人为破坏的因素。泄漏和堵管是全方向发展”。世界矿浆管道的难题，泄漏和堵塞的预控与预警技术、尽管固液两相流和气液单相流有本质差异，但我事故点的检测和定位技术、事故的应急预案与事故处国矿浆管道技术可以取长补短，充分借鉴吸收油气管理技术涉及面广，与管道环境和周边资源息息相关，是道先进技术和成果，如油气管道管材正向1422mm管一门很深的学问。径、X90／X100钢级、0．8设计系数迈进，油气管线球阀加速流和浆体水击现象是矿浆管道安全运行的常正研制Classl500，56英寸超大设备，且油气易燃易爆，见危害，其破坏力强、发生频率高，是目前矿浆管道设安全级别高，现代化的泄漏和爆管监测与防控技术完计和运营的重点防治对象。加速流和水击是管道动态全可以转化用于矿浆管道。运行过程产生的结果，在矿浆管道浆体输送、水推浆、气力管道输送已萌生于短距离的粉尘和灰渣运浆推水和清水运行各个阶段以及管道设备操作时均容输，其工艺可行性已经得到工程验证，在我国水资源匮易产生，且目前防治措施和设施复杂多样，造价成本、乏的主矿产区，可以探索以空气、N、CO等廉价气体使用效果相差悬殊，加速流和水击危害对管道控制系为载体的气固两相流取代以水为媒介的长距离、大运统和安全运营管理提出了很大的挑战。量固液两相流管道输送。矿浆管道固体物料批量混合输送的工况较多。我智慧管道是数字管道发展的更高阶段，智慧管道国矿产资源主矿品位等级较多，共伴生矿赋存现象普的几个重要特征：①可观测，能监测管道所有设备的遍，此外，当终端用户未达产前，矿浆管道也经常采用状态；②可控制，能控制管道所有设备的状态；③可水和浆体分段批量输送，以减少管道运量，达到供需平自适应，也就是完全自动化；④系统综合优化平衡，实衡。物料批量混合输送时，管道内矿浆特性变化幅度现上游、管输和用户间的优化平衡。如同在管道上装较大，矿浆流态不稳定，阻力变化明显，对管道设备可备“会思考的大脑”，智慧管道的整体运行更高效、安靠性和灵活性要求很高。管道批量输送给矿浆管道首全和可靠。我国应着力发展智慧矿浆管道技术，以管终端制浆、储存以及混浆段处理带来了许多麻烦，对管道本体及周边环境的全生命周期数据为基础，将物联道控制精度和系统的灵活性提出了更高的要求。网技术、云计算技术、大数据分析技术、自动化与智能终端储浆与脱水技术也是矿浆管道的重要环节，控制技术等与管道本体高度集成，形成管道管控一体目前，国内矿浆用大型搅拌储罐技术还很不成熟，满足化系统。(下转第37页) 第2期唐川林等：管道局部弯曲对气力提升性能的影响37}[[HydraulicCoalMiningSystem[J]．EarthScienceFrontiers，2008，15升效率均随进气量增加先增大后减小，且A管和C管Il(4)：222—225．差异不明显。提升效果最佳时所对应的气量值为8～[6]MatsuiG．Automaticidentificationofflowregimesinverticaltwo101'11。／h。phaseflowusingdifferentialpressurefluctuations[J]．NuclEngDes，3)提升管道结构及弯管安装位置对气力提升性1986，95(8)：221—231．能会产生较为显著的影响，等直径直管的提升性能在[7]CharalamposTMoisidis，EleftheriosG．Kastrinakis．Pressurebehav相同条件下优于含弯管的提升系统。当局部弯管安装iourinrisertubeofashortairliftpump[J]．JournalofHydraulicRe—search，2010，48(1)：65—73．在气举头下端时，气力提升性能稍稍下降，局部弯管位[8]HitoshiFujimoto．Effectoflocalpipebendsonpumpperformanceofa于气举头上端时，提升性能下降明显。smallair—liftsystemintransportingsolidparticles[J]．InternationalJournalofHeatandFluidFIOW，2004，25：996—1005．参考文献：[9]Nai—KuangLiang，Hal—kuenPang．Astudyofair—liftartificialup—唐川林，张晓琪，张凤华，等．用于疏浚江河湖泊的新型高效工具welling[J]．OceanEngineering，2005，32(5／6)：731—745．研究[J]．株洲工学院学报，2002，16(4)：105—108．[10]OhnukiA，AkimotoH．ModelDevelopmentforBubbleTurbulentLiangNK．Apreliminarystudyonair-liftartificialupwellingsystemDiffusionandBubbleDiameterinLargeVerticalPipes[J]．Journal[J]．AetaOeeanographieaTaiwaniea，1996，35：187—200．ofNuclearandTechnology，2001，38(12)：1074—1081．杨林，唐川林，张风华．水下开采提升气举机电装置的特性及应[11]TomiyamaA，TamaiH，CelataGP．Terminalvelocityofsinglebub—用[J]．矿冶工程，2005，25(2)：13—14．blesinSul~acetensionforcedominantregime[J]．IntJMuhiphaseCRuppel，RBoswel1．ScientificresultsfromGulfofMexicoGasHy-Flow，2002，28：1497—1519．dratesJointIndust~ProjeetLeg1drilling：Introductionandoverview[12]KhalilMF，ElshorbagyKA，KassabSZ．Effectofairinjection[J]．MarineandPetroleumGeology，2008，25(7)：819—825．methodONtheperformanceofanairliftpump[J]．InternationalJour-XIABairn，ZENGXiping，MAOZhixin．ResearchonOneBoreholehalofHeatandFluidFlow，1999．2O(6)：598—604．(上接第32页)[5]佟庆理．两相流动理论基础[M]．北京：冶金工业出版社，1982．5结语[6]丁宏达，黄家桢，刘德忠，等．浆体管道输送原理和工程系统设计[M]．湘潭：湘潭文印厂，1990．我国矿浆管道技术发展至今，软实力和硬件条件[7]费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[M]．北京：清华大学出版稳步提升，管输技术和设备应用水平迅速提高，核心技社．1994．术和关键设备逐渐拥有了自主知识产权。尽管国内长[8]倪晋仁，王光谦，张红武．固液两相流基本理论及其最新应用距离矿浆管道在建设和运行中仍存在不少困难与挑[M]．北京：科学出版社，1991．战，但随着我国自主设计的神渭输煤管道工程的建设[9]刘大有．二相流体动力学[M]．北京：高等教育出版社，1993．[10]王绍周．粒状物料的浆体管道输送[M]．北京：海洋出版社，实施，矿浆管道“中国制造”指日可待。我国浆体管道1998．将朝着绿色管道、安全管道、数字管道、智慧管道的方夏建新，曹斌，黑鹏飞．复杂条件下管道水力输沙研究进展与向昂首挺进。挑战[J]．泥沙研究，2011(6)：7-11．参考文献：[12]曹斌．复杂条件下颗粒物料管道水力输送机理试验研究[D]．北京：中央民族大学生命与环境科学学院，2013．吴湘福．矿浆管道输送技术的发展与展望[J]．金属矿山，2000[13]CECS98：98—1998，浆体长距离管道输送工程设计规程[S]．(6)：1—7．[14]GB50840—2012，矿浆管线施工及验收规范[s]．[2]韩文亮．浆体管道输送的发展及输送的工艺设计[J]．金属矿山，[15]钱桂华，曹晰．浆体管道输送设备实用选型手册[M]．北京：冶2006(8)：85-88．金工业出版社，1995．[3]瓦斯普．固体物料的浆体管道输送[M]．黄河水利委员会译．北[16]邹伟生，袁海燕，罗绍卓．长距离管道输送发展现状及在矿山的京：水利电力出版社．1980．应用前景[J]．金属材料与冶金工程，2009，37(1)：57—6O．[4]钱宁，万兆惠．泥沙运动力学[M]．北京：北京大学出版社，[17]中国石油新闻中心．中国管道发展趋势探析[EB／OL]．http：∥1983news．cnpc．com．en／system／2013／10／09／001450438．shtm1．