大落差長距離礦漿管道輸送工業(yè)實踐

勞忠友，鄭海雷

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

勐海縣盤龍山鐵礦礦區(qū)地處西雙版納自然保護區(qū)，受地理環(huán)境、用地等條件限制，選廠精礦車間存礦7天左右，為解決精礦堆存及銷售問題，又在距離礦區(qū)12 km外的219國道旁設(shè)置了精礦堆場，精礦在礦區(qū)過濾后由汽車運輸至精礦堆場堆存，根據(jù)市場情況由汽車外運銷售至鋼鐵廠。

盤龍山鐵礦建成生產(chǎn)多年，由于受礦區(qū)至219國道的礦區(qū)道路影響，精礦外運非常困難，成本較高，其生產(chǎn)一直受到限制，特別是雨季期間，由于礦區(qū)道路坡陡彎急，道路更加泥濘，有時精礦外運只能暫停，礦山生產(chǎn)被迫暫停。

為妥善解決好礦山精礦的運輸問題，2013年9月設(shè)計方現(xiàn)場進行了踏勘，提出了解決方案。設(shè)計考慮礦區(qū)至219國道旁的精礦運輸采用管道運輸，解決了精礦運輸?shù)钠款i問題，即選礦后的精礦經(jīng)濃密脫水后高濃度礦漿通過管道輸送至12公里外的219國道旁，經(jīng)過濾后進入精礦堆場堆存，再由汽車外運銷售。采用管道運輸是節(jié)能減排、節(jié)約運輸成本、提高效益的有效途徑，具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益。管道輸送固體物料比公路運輸費用低并且安全可靠，同時可以滿足礦山連續(xù)生產(chǎn)的要求。

1 礦山概況

勐海縣盤龍山鐵礦位于勐?？h城240°方位直距29 km處，地理坐標：東經(jīng)100°11′33″～100°12′14″，北緯21°49′54″～21°50′29″，礦區(qū)面積：0.5653 km2。礦區(qū)行政區(qū)劃隸屬勐?？h勐遮鎮(zhèn)巴夜老寨村委會境內(nèi)。2011年數(shù)據(jù)：礦山采礦證內(nèi)保有111b+122b+333類鐵礦石量1 460.75 萬t，TFe品位36.71 %。另界外保有331+332+333類鐵礦石量237.62 萬t，TFe品位43.66 %。按礦山年產(chǎn)70 萬t/a鐵精礦計算，確定管道服務(wù)年期限為10 a。

勐海縣城至打洛的公路通過礦區(qū)南側(cè)，礦區(qū)距巴夜老寨3 km，巴夜老寨至勐遮鎮(zhèn)25 km，勐遮鎮(zhèn)至勐?？h城24 km，勐海至景洪市46 km，景洪至昆明市516 km。

礦區(qū)屬典型的亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫21.5 ℃，最低氣溫5 ℃，最高氣溫39.5 ℃。全年多雨，雨季長達半年以上。每年的4～10月為雨季，11月份～次年3月份為旱季，年平均降雨量為1 454.6 mm，年最大降雨量為1 965 mm，月最大降雨量為327.5 mm，日最大降雨量為158 mm。區(qū)內(nèi)熱帶雨林發(fā)育，植被四季常綠。

2 管道系統(tǒng)概要

管道項目將鐵精礦漿由礦區(qū)輸送至219國道旁，線路起點站位于選廠，標高1 772 m。線路終端位于219國道旁，標高約為902 m。起點站至終端管道線路長10 km，高差-870 m。管道系統(tǒng)概要見表1。

表1 礦漿管道系統(tǒng)概要

管道系統(tǒng)起點與終端高差巨大，且管道距離長，設(shè)計中如不加以控制，終端剩余水頭巨大。礦漿向下輸送，利用勢能進行輸送，可節(jié)約大量能源，但是，如果控制不當，將會對管道產(chǎn)生嚴重的磨蝕和氣蝕、水錘，管道內(nèi)礦漿加速流將會非常嚴重，管道壽命及運行安全難以保證。

3 礦漿特性

3.1 顆粒比重

鐵精礦固體顆粒真比重：4.1 t/m3。

3.2 精礦粒徑分布

鐵精礦粒徑分布見表2。

表2 鐵精礦粒徑分布表

3.3 流變特性

鐵精礦流變特性見表3。

表3 鐵精礦流變特性

流變特性關(guān)系式：τy=AcsatB，A=105 706，B=6.003；η/μ=10VrsatB’，B’=2.4546。

式中：

Csab—固體顆粒體積百分數(shù)；

Vrsat—固體顆粒與水體積濃度之比；

τy—屈服應(yīng)力，dyn/cm2；

η—賓漢塑性粘度，cp；

μ—同溫度下水的粘度，cp。

3.4 礦漿滑動角實驗

隨著管子右手端緩慢上升并穩(wěn)定后，能測量到表面細顆粒初始運動時管子與水平面所成角度及角度對應(yīng)的坡度。精礦滑動角試驗結(jié)果見表4。

表4 鐵精礦滑動角

4 管道水力學設(shè)計

4.1 最小運行速度的選擇

管道最小運行速度的選擇是為了使礦漿中適宜的固體顆粒得以懸浮，以保持偽均勻流體的行為，并使管道底部磨損最小化。最小速度也必須保證處于紊流流動狀態(tài)。通常，紊流的判斷由漢克斯方程求得；均勻流體流態(tài)采用瓦斯普流態(tài)判別式判斷；淤積流速采用瓦斯公式求得。初步選擇管道規(guī)格φ141.3×11，各方程的計算結(jié)果見表5。

表5 最小運行速度計算結(jié)果

設(shè)計輸送濃度下限為55 %，濃度上限為65 %，基于礦漿特性、所選管道尺寸、以及類似工業(yè)礦漿管道實際數(shù)據(jù)，最小運行速度確定為1.4 m/s。

如果選礦廠生產(chǎn)的精礦比設(shè)計粒度組成更粗，并以低濃度輸送時，那么管道的侵蝕將會加重。短期采用低濃度和粗粒運行是可能發(fā)生的，但是會增加一些底部的磨損。不建議在此條件下長期運行，因為將使管道壽命縮短。

4.2 礦漿濃度范圍得選擇

需要有最小礦漿濃度來保持偽均質(zhì)礦漿流的特點，以便提供足夠的流變特性參數(shù)。最小的濃度要求將能使預(yù)知的粗顆粒得以懸浮，以減少對管道底部的過度磨損。低濃度可能引起礦漿的非均勻性、過多的水量輸送造成能量浪費，同時增加終端廢水處理費用。較高礦漿濃度將更加經(jīng)濟，但同時可能導致壓力損失及運行不穩(wěn)定。

基于礦漿特性報告，上述最小速度分析，類似的工業(yè)鐵精礦礦漿管道運行經(jīng)驗以及終點站過濾車間的生產(chǎn)要求，濃度下限是55 %。濃度在65 %以上時，礦漿的屈服應(yīng)力變高，使得管道壓力下降，對輕微的濃度變化非常敏感。因此，將固體重量濃度范圍定為55 %至65 %。

應(yīng)該注意到此范圍是以礦漿的流變學特性報告為根據(jù)的。但在生產(chǎn)運行期間，如果實際生產(chǎn)表明礦漿流變學特性容許的話，所輸送的礦漿濃度范圍可以擴大。

4.3 管道直徑及管道壁厚的選擇

對于特定的盤龍山鐵精礦輸送量，管道的尺寸選擇限制在很小的范圍內(nèi)，在滿足規(guī)定的腐蝕及磨蝕允許條件及在各種運行條件下，管道壁厚選擇應(yīng)滿足管道各部分所需要的壓力容量以及管道10年設(shè)計壽命的要求和最低的鋼管成本。根據(jù)盤龍山項目情況，選擇的管道規(guī)格為φ141.3×11，材質(zhì)為API X65裸鋼管，整條管線所需的鋼管總重為353.3 t。設(shè)計管道磨蝕余量為0.45 mm/a，10年后管道壁厚為6 mm，內(nèi)徑為129.3 mm，仍能滿足工藝要求。

4.4 水力坡度設(shè)計

如圖1所示，當帶漿關(guān)閉管道時，設(shè)計管道的鋼管壁厚足以承受穩(wěn)定狀態(tài)礦漿水力坡度和靜壓頭。從盤龍山礦區(qū)到219國道終端，設(shè)計需要一條外徑為141.3 mm的鐵精礦輸送管道，年輸送能力為70萬t。選用的管壁厚度為11 mm以使在最大運行壓力條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定輸送時，能滿足在給出的磨蝕許可值下的設(shè)計壽命。

圖1 管道系統(tǒng)水力坡降圖

在設(shè)計條件為55 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭6.92 MPa。

在設(shè)計條件為60 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭9.25 MPa。

在設(shè)計條件為65 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭11.22 MPa。

在設(shè)計條件為60 %固體濃度以及滿足最低運行速度1.4 m/s時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭12.89 MPa。

因此不論何種工況條件下，終端均存在剩余水頭，且剩余水頭大，故為確保管道系統(tǒng)的安全及服務(wù)年限，在終端建設(shè)消能站對礦漿進行消能，以確保管道系統(tǒng)以恒壓、恒定流量、恒定濃度進行輸送。

當系統(tǒng)進行批量輸送及沖洗管道時，由于礦漿與水存在比重差異，流體通過消能站時，將會存在消能效果的差異，因此消能站設(shè)置了一定數(shù)量的固定孔板與可調(diào)節(jié)孔板，通過調(diào)整孔板投入數(shù)量來確保管道系統(tǒng)不產(chǎn)生加速流，且通過調(diào)整孔板投入數(shù)量可以調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)的礦漿流量，使系統(tǒng)輸送量與礦山選廠產(chǎn)能高度匹配，大大的提高了系統(tǒng)靈活度。

4.5 管道系統(tǒng)運行范圍

設(shè)計的礦漿重量濃度為60 %，范圍55 %～ 65 %，濃度范圍由濃密機確定。系統(tǒng)礦漿輸送量由終端消能站進行，其調(diào)節(jié)范圍確保管道流速在1.4～2.57 m/s，流量范圍56.3 ～103.23 m3/h，干礦運輸量最大為100 萬t/a，138.9 t/h。如將來礦山擴產(chǎn)，管道系統(tǒng)適應(yīng)能力很強。

4.6 泵站數(shù)量及位置

根據(jù)規(guī)定的設(shè)計運輸能力、精礦濃度范圍、選擇的管道尺寸，系統(tǒng)設(shè)置1個泵站，壓力等級為Class 150，起點站位于盤龍山鐵礦選廠旁；終端站設(shè)置消能站及事故池，消能站壓力等級為Class 900，終端站位于219國道旁，距離礦區(qū)公路里程為12 km，管道里程為10 km；事故池用來處理管道系統(tǒng)的漿頭及漿尾，以及儲存事故時管道內(nèi)的礦漿；過濾車間緊靠管道終端站，過濾后礦粉由膠帶倒運至精礦堆場堆存。

5 管道系統(tǒng)設(shè)計

5.1 起點站

起點站位于選廠方，海拔標高1 772 m。起點站前端選廠工藝為階段磨礦階段磁選工藝，排出的鐵精礦濃度約20 %。選廠排出的精礦經(jīng)消磁后進入φ20 m濃密機脫水，濃密機底流消磁經(jīng)兩臺離心泵(1用1備，變頻調(diào)速)剪切后進入越野管道輸送至終端。本管道工程利用勢能進行輸送，底流泵作用為對礦漿進行剪切攪拌，以使礦漿流動性更好。為確保系統(tǒng)安全可靠，在越野管道入口前設(shè)置了流量、壓力、密度檢測設(shè)施及管道沖洗設(shè)施，沖洗水由選廠高位水池供給，可以滿足1次管道沖洗用水需求。濃密機底還設(shè)有底流循環(huán)系統(tǒng)，即濃密機底部排出礦漿可以返回濃密機，以方便現(xiàn)場操作。

起點站包含的工藝設(shè)備：1臺φ20 m濃密機、2臺離心泵、脫磁器2臺以及相關(guān)閥門設(shè)施、流量變送器、壓力變送器、密度計等。起點站工藝系統(tǒng)見圖2。

圖2 起點站工藝系統(tǒng)圖

5.2 終端站

終端站位于219國道旁，海拔標高902 m。終端站內(nèi)設(shè)消能站1座，事故池1座。綜合考慮，消能站設(shè)施設(shè)固定孔板13臺，調(diào)節(jié)孔板13塊。通過調(diào)節(jié)孔板的投入數(shù)量，確保起點站至終端站管道運行平穩(wěn)，壓力穩(wěn)定，起點站出口壓力大于0.1 MPa，不產(chǎn)生加速流。同時，消能站針對系統(tǒng)停車容易產(chǎn)生水錘，專門設(shè)置水錘消除孔板，確保停車時壓力波動不大，不產(chǎn)生大的水錘危害管道。

同時，消能站還設(shè)有旁路，保證正路出現(xiàn)問題時，也可保證系統(tǒng)短時間輸送。

終端站入口設(shè)置2臺閥門，1臺起密封作用，1臺起磨損作用。

終端站設(shè)事故池，容積700 m3，具有儲存礦漿及部分水處理功能。

終端站工藝系統(tǒng)見圖3。

圖3 終端站工藝系統(tǒng)圖

5.3 管道線路的選擇及管道設(shè)計

越野管道線路由起點站引出后，沿尾礦庫邊緣敷設(shè)，穿過為尾礦庫后到達礦區(qū)公路，沿礦區(qū)公路敷設(shè)至終端站。越野管道線路選擇見圖4，越野管道線路剖面見圖1。

圖4 越野管道線路走向圖

越野管道規(guī)格φ141.3×11，材質(zhì)為API X65裸鋼管，外設(shè)3PE防腐層。管道全部埋地敷設(shè)，下穿道路時加鋼套管埋設(shè)。管道所有彎頭均采用熱彎頭，彎頭半徑為10D，管道連接采用焊接連接。

6 項目的建設(shè)及生產(chǎn)情況

2014年3月，盤龍山鐵精礦管道系統(tǒng)設(shè)計完成。

2014年4月，精礦管道線路開始定位放線，設(shè)備及管道進行招投標。

2014年5月，工程分為起點站、精礦管道、終端站、過濾車間(異地搬遷新建)4個部分開始全面施工。

2014年9月，管道線路施工完成，進行吹掃、試壓、通球工作。

2014年10月，起點站及終端站、過濾車間設(shè)備安裝完成進行調(diào)試工作。

2014年10月底，系統(tǒng)一次投料試車成功并正式投入生產(chǎn)，達產(chǎn)達標，各項指標均在設(shè)計范圍內(nèi)。

據(jù)了解，盤龍山鐵礦鐵精礦管道自2014年10月投產(chǎn)以來，至2020年4月，已連續(xù)生產(chǎn)5年5個月，系統(tǒng)運行正常，各項指標均小于設(shè)計指標，尤其越野管道磨損量約為0.1～0.15 mm/a，遠小于設(shè)計值的0.5 mm。

7 設(shè)計中存在的問題及改進措施

終端水錘消除孔板布置于消能站管道最后邊，生產(chǎn)中噪聲較大，對現(xiàn)場工作人員及環(huán)境影響較大，經(jīng)研究在水錘消除孔板后面增加了消音孔板(孔徑較大的孔板)后，其噪聲已大大減小。以后的設(shè)計中亦可將水錘消除孔板布置于消能站最前端也是可行的。

旁路設(shè)計時為了節(jié)省投資沒有設(shè)置消能孔板，如正路出現(xiàn)問題，使用旁路時，管道系統(tǒng)內(nèi)將會產(chǎn)生加速流，雖然其時間短暫，但仍會增加管道磨損及帶來不確定性，以后設(shè)計中亦需在旁路設(shè)置消能孔板，使管道系統(tǒng)更加安全可靠。

8 結(jié) 語

管道運輸是目前國家積極推廣的節(jié)能減排和環(huán)保項目，符合國家的可持續(xù)發(fā)展要求，是國家產(chǎn)業(yè)政策支持的項目。盤龍山鐵精礦管道輸送費用比公路運輸費用大幅度降低。項目利用勢能進行輸送，耗電量基本為零，項目除管道運輸系統(tǒng)的自身運營成本費用外，不產(chǎn)生其他費用。工程管道輸送系統(tǒng)通過監(jiān)控系統(tǒng)實施管道輸送系統(tǒng)自動化控制，管道運輸過程中的礦漿基本無泄漏，相比汽車運輸沿途的3 %。拋灑也大幅降低，對周邊環(huán)境無污染影響。項目順利投產(chǎn)不僅解決了盤龍山鐵礦精礦外運問題，確保礦山連續(xù)生產(chǎn)，并為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟和社會效益。