包鋼白云礦漿管線工程建設(shè)實(shí)踐

譚俊清， 沈翠良

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055；2.包鋼集團(tuán)公司建設(shè)部，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

包鋼白云鄂博鐵精礦礦漿輸送管道工程，是目前我國(guó)管徑最大、輸送能力最強(qiáng)、單極泵站輸送距離最長(zhǎng)的鐵精礦礦漿輸送管道，是我國(guó)第三條高壓長(zhǎng)輸?shù)V漿管線，也是首條建設(shè)在高原嚴(yán)寒凍土地帶的礦漿管線。是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目，由美國(guó)PSI公司進(jìn)行技術(shù)咨詢?cè)O(shè)計(jì)，包括一條鐵精礦礦漿輸送管道(起點(diǎn)在包鋼巴潤(rùn)礦業(yè)公司白云西礦選廠精礦泵站，終點(diǎn)在包鋼廠區(qū)綜合料場(chǎng)落地接收系統(tǒng)，全長(zhǎng)145km)，和一條供水管道(起點(diǎn)在高壓水泵站，終點(diǎn)在西礦選廠高位水箱，全長(zhǎng)130km)，管材為API 5L X65與Q345B。高程自1048m至1624m。落差576m，設(shè)計(jì)的基本情況見(jiàn)表1～表3。

該項(xiàng)目于2005年開(kāi)始策劃，2007年啟動(dòng)，2008年4月12日正式開(kāi)工，2009年8月14日試壓成功，2009年12月23日打水上山，2010年1月4日礦漿落地，項(xiàng)目取得成功，運(yùn)行一年，狀態(tài)良好。

表1 設(shè)計(jì)的外直徑、壁厚及長(zhǎng)度

表2 輸送能力(年運(yùn)行8000h)

表3 流體力學(xué)基本參數(shù)

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

包鋼廠區(qū)距離白云鄂博西礦原有鐵路、公路151km，礦漿管線建成之前，主要依靠鐵路運(yùn)輸為主、汽車運(yùn)輸為輔的方式。2009年，巴潤(rùn)公司(包鋼白云西礦)生產(chǎn)的鐵精礦111.21萬(wàn)t，其中鐵路輸出45.32萬(wàn)t，公路輸出65.89萬(wàn)t，2010年，生產(chǎn)230萬(wàn)t，全部通過(guò)礦漿管線運(yùn)輸。各種運(yùn)輸方式的比較見(jiàn)表4。包括300萬(wàn)t選礦廠在內(nèi)，項(xiàng)目總投資60億元，每年可為包鋼帶來(lái)12億元的經(jīng)濟(jì)效益[1，3-4]。

表4 包鋼各種運(yùn)輸方式的比較

3 線路設(shè)計(jì)

由南向北，管線先后通過(guò)城市市區(qū)(11km)、山區(qū)和隧道(18km)、農(nóng)田(9km)、河床(4km)、丘陵(102km)，總計(jì)穿越6座大山、3條河流、11道河谷、1條地震帶。隧道長(zhǎng)1698m，高程從1048m到1624m，落差576m。洞深按照1.6～2.8m設(shè)計(jì)，各分段詳細(xì)的設(shè)計(jì)外徑、壁厚、材質(zhì)見(jiàn)表5。

表5 管線設(shè)計(jì)外徑、壁厚、材質(zhì)詳表

4 材料性能

采用了API 5L X65級(jí)管線鋼，由包鋼自行冶煉、自行軋制、自行焊接施工，完全滿足設(shè)計(jì)要求[7]。鋼種設(shè)計(jì)為13MnNbTi，屈服強(qiáng)度448MPa～600MPa，材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能見(jiàn)表6、表7和圖1。

表6 包鋼X65鋼化學(xué)成分

表7 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 包鋼X65鋼強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果

5 焊接工藝

由中油管道焊接技術(shù)中心進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，確定了焊接工藝的要求，按照API std 1104及PSI-1005-S-P-005 Rev.0要求，經(jīng)拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、刻槽錘斷試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相分析，評(píng)定的焊接工藝合格。

焊接工藝為SMAW+FCAW，要求環(huán)境溫度-5℃，濕度<90%，風(fēng)速<5m/s，焊接設(shè)備采用LINCOLN DC400(SMAW)/ LINCOLN DC400+LN-23P(FCAW)。

接頭設(shè)計(jì)：接頭型式為對(duì)接，坡口型式為V型，坡口角度60°±5°，鈍邊(1.6±0.4)mm，內(nèi)外余高0～1.6mm，對(duì)口間隙1.6～3.0mm，錯(cuò)邊小于3mm，蓋面焊縫寬為坡口每側(cè)1.6mm。見(jiàn)表8、表9和圖2。

6 內(nèi)壓力曲線

PSI公司在對(duì)包鋼礦山研究院的礦漿流變特性試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、安息角試驗(yàn)、滑動(dòng)角試驗(yàn)等基礎(chǔ)上，計(jì)算沿途摩阻，繪制水力坡度圖，分析瞬變壓力[2，5-6]，進(jìn)而確定運(yùn)行壓力監(jiān)測(cè)值、分段試壓的試驗(yàn)壓力。見(jiàn)圖3、圖4及表9、表10。

圖2 焊接接頭設(shè)計(jì)與焊道順序

表8主線路焊接工藝

焊道根焊熱焊填充蓋面規(guī)范號(hào)A51AWSA529類別E6010E81T8?G或E71T8?K6工藝SMAWFCAWFCAWFCAW尺寸Φ32mmΦ20mmΦ40mmΦ40mm商家LINCOLNHOBARTHOBARTHOBART焊道數(shù)量111～31極性DCEPDCENDCENDCEN焊接方向下向焊下向焊下向焊下向焊電流(A)60～90180～250160～240160～240電壓(V)25～3518～1918～1918～19焊接速度6～1315～3012～2512～25熱輸入13～1710～1512～1712～17預(yù)熱溫度75～12090～20090～20090～200時(shí)間間隔<5min<15min<15min<15min

圖3 礦漿管線內(nèi)壓力曲線

圖4 供水管線內(nèi)壓力曲線

表9礦漿管線分段試驗(yàn)壓力

分段號(hào)起點(diǎn)樁號(hào)終點(diǎn)樁號(hào)長(zhǎng)度/km起點(diǎn)壓力/MPa起點(diǎn)高程/m終點(diǎn)高程/m用水量/m3終點(diǎn)壓力/MPa最高高程/m最低高程/m落差/m壓差/MPa一K244K290702883283016136015408624200029031613601527518609073二K29070K497102064248515408615749817820024511620601537008360(034)三K49710K8677837072274157498147701365280224415964014694012700(030)四K86778K10826321492237147701121223214410250414793012122026710267五K108263K12987821622583121223109770214410270312161010933012280120六K129878K13907091925801097701112507645026331132001058207380053七K139070K14367146019801112501047502224019891056701041201550009

表10 供水管線分段試驗(yàn)壓力

7 施工組織

管線施工任務(wù)以K49710及K129878為界，劃分為三段，其中中國(guó)二冶承擔(dān)了中間的81km，包鋼建安集團(tuán)承擔(dān)了北端的50km和南端的15km。主要的施工工序?yàn)椋赫鞯亍y(cè)量、掃線、管溝開(kāi)挖、管道焊接、自檢、三檢、防腐、陰極保護(hù)、光纜、管道下溝、管線回填，施工過(guò)程中重點(diǎn)推廣了一些先進(jìn)的施工方法和技術(shù)措施。

7.1 大流水作業(yè)

包鋼建安集團(tuán)采用了大流水作業(yè)的組織方式，對(duì)每一道焊口的焊接作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)算和成本分析，優(yōu)化了人力、機(jī)械的調(diào)配，創(chuàng)造了日焊接104道口的記錄。見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 包鋼建安集團(tuán)管道焊接網(wǎng)絡(luò)圖

圖6 包鋼建安集團(tuán)焊接網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

7.2 管道下溝

管道下溝時(shí)，因無(wú)專業(yè)吊管機(jī)械，中國(guó)二冶率先采用了3臺(tái)50t履帶吊和1臺(tái)反鏟配合的工法進(jìn)行下溝作業(yè)。建安集團(tuán)在此基礎(chǔ)上，采用長(zhǎng)輸管線大變形理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)方案做了細(xì)化和調(diào)整，50t履帶吊增加到4臺(tái)，反鏟增加到2臺(tái)，確定了最大起吊高度和最小吊點(diǎn)間距，穩(wěn)定性更好，安全性更高，效率提高，達(dá)到了每天1km的平均速度。見(jiàn)圖7、圖8。

7.3 管溝回填

管溝回填時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行了管周邊300mm內(nèi)回填細(xì)沙的做法，有效解決了管壁3PE防腐層保護(hù)和管道彈性敷設(shè)的問(wèn)題?；靥钔戤吅?，上部覆土300厚，預(yù)留沉降量。見(jiàn)圖9。

7.4 無(wú)縫管熱矯

因?yàn)榘撟援a(chǎn)無(wú)縫鋼管的壁厚、橢圓度生產(chǎn)合格指標(biāo)大于施工標(biāo)準(zhǔn)的要求，生產(chǎn)要求誤差3.2mm以下即可，而施工標(biāo)準(zhǔn)要求1.6mm以下，故導(dǎo)致最北端19km無(wú)縫管的焊接質(zhì)量合格率降低，主要表現(xiàn)在對(duì)口間隙、錯(cuò)邊量、內(nèi)焊縫余高的超標(biāo)。為解決此問(wèn)題，包鋼建安集團(tuán)先后采用了碼單級(jí)配、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配、機(jī)加工、力學(xué)檢測(cè)等技術(shù)手段，最終采用了熱矯復(fù)圓的手段成功解決，一次合格率達(dá)到76%以上，返修合格率100%。其余焊口的合格率在98%以上。

圖7 管道下溝的變形計(jì)算

圖8 管道下溝的力學(xué)分析

圖9 管溝回填示意圖

7.5 冬季低溫焊接

因工期緊急，近半數(shù)的焊口要在低溫條件下進(jìn)行。自2008年11月7日到2009年1月6日為冬季施工期，白云鄂博地區(qū)冬季極端低溫達(dá)-32.6℃，期間兩家單位總計(jì)完成了水管2843道、礦管1619道口的焊接，分別占總焊口數(shù)量的13%和26%。為了確保焊接工藝要求，采用了自控溫電加熱帶的方案，電加熱帶采用紅外線高溫復(fù)合陶瓷材料，配合溫控裝置和特制保溫棚、耐高溫硅酸鋁纖維保溫棉等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了快速升溫、恒定溫度，根焊預(yù)熱溫度及層間溫度保持在在100℃～120℃之間，焊后溫度150℃～180℃之間，緩冷時(shí)間在24h以上，經(jīng)檢測(cè)低溫條件下的焊口全部合格。

7.6 管線壓力測(cè)試

回填后，對(duì)全部的管線進(jìn)行了嚴(yán)格的壓力測(cè)試。試驗(yàn)壓力按內(nèi)壓力曲線取值，上限為屈服強(qiáng)度的90%，最高一段的試壓力達(dá)到28.3MPa，試壓頭的試驗(yàn)壓力為34MPa。根據(jù)水源情況，分5段、7段打壓，各分段壓力值見(jiàn)表9。試壓過(guò)程中，出現(xiàn)一處母材爆裂和焊縫滲漏，重新返修后再次試壓合格。見(jiàn)圖10。

圖10 最高壓力段試驗(yàn)記錄(K0～K29070)

8 結(jié)語(yǔ)

包鋼礦漿管線工程是繼太鋼尖山、昆鋼大紅山之后，國(guó)內(nèi)第三條鐵精礦礦漿管線，也是第一次在高原嚴(yán)寒條件下施工的管線。其壓力之高、難度之大，超過(guò)已建成的兩條管線，也超過(guò)西氣東輸管線。項(xiàng)目的成功，對(duì)我國(guó)發(fā)展?jié){體長(zhǎng)輸管線技術(shù)、開(kāi)發(fā)邊遠(yuǎn)山區(qū)礦產(chǎn)資源具有重要意義。

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