PE 管在凍結(jié)法鑿井中輸送低溫鹽水的可行性探討

宋亞楠 吳康寧

(中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230601)

凍結(jié)法鑿井是通過輸送低溫鹽水到地下進(jìn)行熱交換，吸收地層中的熱量，從而使地層降溫，形成不透水且能抵抗地壓的凍結(jié)壁圓筒［1］。凍結(jié)法鑿井技術(shù)屬于高耗能技術(shù)，因制冷需要耗費大量的電能。隨著凍結(jié)法施工在礦井建設(shè)中的不斷應(yīng)用，現(xiàn)選擇一種在低溫鹽水輸送中的新型材料替代鋼管，對減少材料成本、降低冷量損失、節(jié)電降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益有著非常重要的意義。

1 低溫鹽水輸送管材要求

凍結(jié)法鑿井中低溫鹽水輸送分為兩個部分。首先在凍結(jié)站降溫后的低溫鹽水輸送到井口，此段輸送管管徑較大(一般為200 mm～400 mm)，需滿足鹽水流速、壓力和流量要求，稱為鹽水干管。鹽水輸送至井口后，由配液圈分送到多個凍結(jié)管內(nèi)供液管，此段輸送管路管徑較小(一般為50 mm～80 mm)，多采用φ75×6聚乙烯軟管。聚乙烯軟管的隔熱性能好，耐低溫，無接頭或接頭少，安裝方便，使用效果好，且可長管線盤管運輸，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。然而在鹽水輸送過程中，鹽水干管口徑較大，在地面鋪設(shè)，且要保證輸送鹽水的流速、壓力和流量，因此施工技術(shù)上對此段輸送管材有以下要求:1)耐腐蝕性。鹽水為凍結(jié)施工中的冷媒劑，一般為氯化鈣、氯化鎂的氯鹽溶液，有腐蝕性。2)低溫下抗壓和韌性。凍結(jié)施工中的低溫鹽水一般在－30℃左右，鹽水流動具有一定的壓力，且多為地面鋪設(shè)，雖有保護(hù)設(shè)施，但要在受到意外沖擊時，能保證施工安全。3)內(nèi)部流動阻力小。干管內(nèi)低溫鹽水流速一般為1.5 m/s～2.0 m/s，隨著凍結(jié)深度的增加，建井速度的提高，現(xiàn)多達(dá)到3 m/s以上［2］。為保證鹽水流速需要減少管道阻力，對輸送管道內(nèi)部流動阻力有一定要求。

2 低溫鹽水輸送施工現(xiàn)狀

在過去凍結(jié)施工中，鹽水干管一般采用無縫鋼管，現(xiàn)在多采用螺旋焊管。雖然能滿足施工安全技術(shù)要求，但在經(jīng)濟(jì)、安全和施工時仍存在著一些問題。1)因腐蝕重復(fù)利用率低。低溫鹽水管路腐蝕主要有以下三點:a.在低溫鹽水系統(tǒng)中，在CaCl2溶液的強電解質(zhì)作用下，閥門、管道、設(shè)備材質(zhì)不同就構(gòu)成了腐蝕宏電池，而碳鋼管道因電位低于陽極首先被腐蝕融解。b.隨著腐蝕的發(fā)生，在換熱設(shè)備和鹽水管路的局部滯留區(qū)形成貧氧區(qū)，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+與Cl－形成高濃度FeCl2溶液，水解后pH值下降為酸化區(qū)，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕加快［3］。c.在工程結(jié)束后，管路內(nèi)部沾有鹽水，不會完全清洗干凈，長期放置暴露在空氣中，使管路銹蝕。因此，一般情況下，拆除后立即安裝使用，可重復(fù)利用;若存放時間過長，將無法再次使用，重復(fù)利用率低，成本高。2)低溫抗沖擊能力差。低溫鹽水一般在－30℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于螺旋焊管的低溫脆化溫度值。在施工中，如果受到外力沖擊，容易產(chǎn)生脆裂。3)保溫性能差。凍結(jié)施工中，若冷量損失大，將增加凍結(jié)站制冷量，增加能耗，造成浪費。螺旋焊管導(dǎo)熱系數(shù)大，－30℃低溫鹽水在輸送過程中，必須使用聚苯乙烯泡沫塑料外部包扎做保溫處理，才能減少冷量損失。4)管體重，來回運輸安裝費時費工，不方便。

3 新型給水管材比選

凍結(jié)鑿井施工中低溫鹽水輸送管路可借鑒城市給送水管材?，F(xiàn)階段給送水管材主要有玻璃鋼夾砂管、硬聚氯乙烯管(UPVC)、聚乙烯管(PE)、聚丁烯管(PB)、交聯(lián)聚乙烯管(PE-X)等。給水塑料管的化學(xué)穩(wěn)定性高，耐腐蝕，管壁光滑，水頭損失小，能有效防止管道的腐蝕、結(jié)垢，且重量輕，安裝方便，但也存在缺點和不足［4］。各種管材的主要優(yōu)缺點如下所述:1)玻璃鋼夾砂管。凍結(jié)施工手冊中有推薦使用，但一直沒有得到推廣和應(yīng)用。玻璃鋼夾砂管管壁略厚，環(huán)向剛度較大，但玻璃鋼夾砂管材質(zhì)脆，在施工過程中，機械碰撞容易發(fā)生暗傷，影響使用壽命。2)硬質(zhì)聚氯乙烯管(UPVC)。其具有較高的抗沖擊性能和耐化學(xué)性能，質(zhì)地堅硬，耐腐蝕不結(jié)垢，安裝方便，價廉;但接頭粘合技術(shù)要求較高，固化時間較長。3)聚乙烯管(PE)。小管徑高密度聚乙烯管(HDPE)(φ25 mm～φ90 mm)已在凍結(jié)鑿井施工中作為供液管輸送低溫鹽水得到廣泛應(yīng)用，且效果良好。其韌性好，較好的抗疲勞強度，耐溫性較好，脆化溫度低，質(zhì)量輕，使用年限長。缺點是可熱熔，但電熔時熔接需要電力，受條件限制［5］。4)聚丁烯管(PB)。其優(yōu)點為耐溫性能好，可在20℃ ～95℃之間安全使用，抗蠕變能力強，高柔韌性，但價格較高。5)交聯(lián)聚乙烯管(PE-X)。耐溫性好，硬度高，抗蠕變性能好。其缺點為只能采用金屬件連接，不能回收重復(fù)利用。

4 PE管輸送低溫鹽水分析

凍結(jié)法鑿井施工中，低溫鹽水輸送要求管材在低溫條件下具有一定的強度，且能滿足施工方便，降低施工成本等特殊要求。聚乙烯管(PE)用作輸送低溫鹽水與目前管材相比具有較好的環(huán)保性能和可回收性，且可采用熱熔連接，接頭質(zhì)量可靠，施工方便。

1)易生產(chǎn)，成本低。聚乙烯在熔融擠出時的流動性很好、熱穩(wěn)定性也好，用擠出法生產(chǎn)大直徑管材比較容易，生產(chǎn)成本低。

2)管壁光滑，流動阻力小。PE管內(nèi)壁光滑，其內(nèi)表面當(dāng)量絕對粗糙比值是鋼管的1/20，在相同管徑、相同長度、相同壓力下的PE管其流通能力要比鋼管大30%左右，因此經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

3)耐腐蝕性較好，環(huán)保性能好，可回收。無縫管和螺旋焊管在施工過程中及存放均會受鹽水或空氣自然腐蝕，而PE管可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，不需防腐處理，環(huán)保性能好，且可回收，多次重復(fù)使用。且聚乙烯管的耐磨性是鋼管的4倍，如此可增加材料周轉(zhuǎn)次數(shù)，降低使用成本。但長時間在低溫下，鹽水腐蝕會對PE管的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

4)導(dǎo)熱小，減少冷量損失。相比于鋼管或螺旋焊管等金屬管材，PE管導(dǎo)熱系數(shù)小，可在低溫鹽水輸送過程中減少冷量損失，在同樣厚度保溫材料下，可減少制冷量需求，節(jié)約電能消耗。

5)脆化溫度低和韌性較好。螺旋焊管在－30℃的低溫條件下易產(chǎn)生脆性，受到外力沖擊時極易斷裂，而PE管的脆化溫度低，可在－60℃溫度范圍內(nèi)安全使用，在低溫下其強度不是很高，但具有韌性，在施工時，可在管子允許的彎曲半徑內(nèi)繞過障礙，降低施工難度。但在工程使用時，PE管需要在生產(chǎn)制造時對其結(jié)構(gòu)和性能等方面進(jìn)行改良，以提高其低溫下的強度，保證施工安全。

6)管體輕，易連接，方便施工。相對于無縫鋼管和螺旋焊管，PE管管體輕，安裝拆除、搬運方便。PE管本身采用熔接連接(熱熔或電熔)，本質(zhì)上保證了接口材質(zhì)，結(jié)構(gòu)與管體本身的同一性，實現(xiàn)了接頭與管材的一體化，便于安裝施工。

5 結(jié)語

在當(dāng)今凍結(jié)法鑿井施工中，在安全高效、快速施工的同時，如何取得更好的經(jīng)濟(jì)效果顯得更為重要。通過以上分析，凍結(jié)法鑿井中PE管代替鋼管和螺旋焊管輸送低溫鹽水具有一定的可行性，但在實際施工中，仍需通過試驗、試用等手段進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，確保其在低溫條件下的強度及穩(wěn)定性，以保證施工安全。

［1］陳文豹，湯志斌.凍結(jié)法鑿井中冷凍站合理裝機能力的確定［J］.制冷學(xué)報，1982(1):42-50.

［2］崔云龍.簡明建井工程手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［3］吳玉勇，姚 俊，姜晨競，等.冷凍鹽水系統(tǒng)腐蝕研究進(jìn)展［J］.科技通報，2010，26(3):421-425.

［4］梅 勝.PE管應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及前景分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，3(3):276-278.

［5］高 飛.PE塑料管在給排水工程中應(yīng)用的情況分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(6):123.