濕法煉銅項目中輸送強(qiáng)腐蝕性溶液的壓力管道運(yùn)行過程中常見的故障分析

黎良濤

中國水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局國際事業(yè)部

鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管屬于高密度聚乙烯材質(zhì)的壓力管道,是有發(fā)展前途的產(chǎn)品，它以優(yōu)異的化學(xué)性能、韌性、耐磨性以及低廉的價格和安裝費(fèi)受到管道界的重視，是僅次于聚氯乙烯（PVC）使用量占第二位的塑料管道材料。鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管也叫鋼絲骨架塑料復(fù)合PE 管，是由連續(xù)纏繞焊接成型的網(wǎng)狀鋼筋骨架與高密度聚乙烯同步擠出、一次成型的新型雙面防腐壓力管道，鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管件是以薄鋼板沖孔后焊接成型的鋼筒為增強(qiáng)骨架，與聚乙烯注塑復(fù)合制成的管件，包括電熔套筒、各種角度彎頭、三通和變徑管件等。高密度聚乙烯具有良好的耐腐蝕性、抗老化性，鋼絲骨架具有良好的剛度、韌性等機(jī)械性能，鋼骨架管則兼?zhèn)涠邇?yōu)良性能，廣泛用于工業(yè)工程中輸送腐蝕性介質(zhì)。緬甸銅礦項目使用了約30 000 米DN600 PN16 的鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管，用于輸送堆浸場酸性（pH=1 ～2）和稀混合溶液，在運(yùn)行過程中，這些管道出現(xiàn)了癟管、管道滲漏、管件滲漏等多種故障類型，為提高該類管道的耐用性和降低故障率，保障生產(chǎn)條件，我們現(xiàn)場考察并結(jié)合相關(guān)資料分析故障產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)措施。

1 鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管線出現(xiàn)故障的類型

1.1 緬甸銅礦當(dāng)?shù)貜?qiáng)日照和溫度對鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管運(yùn)行影響

緬甸銅礦項目堆浸場的鋼骨架管在額定工況下的運(yùn)行壓力為0.7 ～1.2 MPa。根據(jù)2018 年全年至2019年5 月期間的管道故障頻數(shù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在這兩年的4 ～5月份的故障頻數(shù)比其他時間段要稍高，又因緬甸銅礦當(dāng)?shù)孛磕甑? ～6 月份為最熱最干燥的季節(jié)，因此我們考慮到環(huán)境溫度可能是管道故障的一種關(guān)鍵因素，于是為了加強(qiáng)對比性，分別從運(yùn)行的管道和未運(yùn)行的管道兩個方面進(jìn)行了管道外壁溫度檢測，結(jié)合規(guī)范規(guī)程進(jìn)行分析，得到溫度對管道運(yùn)行影響的結(jié)論。

1.1.1 運(yùn)行管道的溫度影響

2019 年5 月8 日—2019 年5 月10 日，通過對堆浸場的鋼骨架管線不同時段的運(yùn)行溫度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果統(tǒng)計如表1。

表1 堆浸場鋼骨架管線不同時段的運(yùn)行溫度

根據(jù)實(shí)際測量溫度，白天一直運(yùn)行的鋼骨架管道的溫度最高為52 ℃左右，最低為20 ℃左右，溫差約為31 ℃左右。根據(jù)鋼骨架管的規(guī)范《鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管管道工程技術(shù)規(guī)程CECS 315：2012》的4.1.1條規(guī)定[1]，不同溫度下鋼骨架管的最大允許工作壓力不同，需乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，具體規(guī)范如表2。

表2 鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管的壓力折減系數(shù)

根據(jù)規(guī)范，此時的鋼骨架管最大允許工作壓力應(yīng)按公稱壓力乘以折減系數(shù)折算，折算系數(shù)為0.81，鋼骨架管的設(shè)計壓力為1.6 MPa,則管道允許壓力為：

因為鋼骨架內(nèi)運(yùn)行的介質(zhì)為硫酸銅溶液，依據(jù)《中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T-369 ～3691-2001》中的5.1.2 規(guī)定[2]，管材在輸送特殊介質(zhì)時，應(yīng)將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數(shù)，具體規(guī)范如表3。

表3 公稱壓力修正系數(shù)

將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數(shù),則管道允許壓力為：

結(jié)論1：

根據(jù)以上實(shí)驗說明，白天一直運(yùn)行的鋼骨架管道的溫度最高為52 ℃左右，此時管道的允許運(yùn)行壓力必須小于1.04 MPa(10.4 公斤)，否則管道會受到損傷，降低使用壽命。

1.1.2 未運(yùn)行管道的溫度影響

2019 年5 月8 日—2019 年5 月10 日，通過對堆浸場未運(yùn)行的鋼骨架管線不同時段的溫度測量，測量結(jié)果統(tǒng)計如表4。

表4 堆浸場未運(yùn)行的鋼骨架管線不同時段的溫度測量

根據(jù)實(shí)際測量溫度，白天未運(yùn)行的鋼骨架管道的溫度最高為70.3 ℃左右，最低為20.1 ℃左右，溫差約為50℃左右。根據(jù)鋼骨架管的規(guī)范《鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管管道工程技術(shù)規(guī)程CECS 315：2012》的4.1.1 條規(guī)定[1]，不同溫度下鋼骨架管的最大允許工作壓力不同，需乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，具體規(guī)范見表2。

此時的鋼骨架管最大允許工作壓力應(yīng)按公稱壓力乘以折減系數(shù)折算，折算系數(shù)為0.6，鋼骨架管的設(shè)計壓力為1.6 MPa,則管道允許壓力為：

將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數(shù),則管道允許壓力為：

結(jié)論2：

根據(jù)以上實(shí)驗說明，白天未運(yùn)行的鋼骨架管道的溫度最高為70.3 ℃左右，此時如果要運(yùn)行管道，需將運(yùn)行壓力控制到0.768 MPa(7.68 公斤)以下，否則管道會受到損傷，縮短使用壽命。而主泵站內(nèi)泵的運(yùn)行壓力約1.0 MPa,大于此時管道的溫度（70.3 ℃左右）條件下的允許運(yùn)行壓力，如果這時啟泵，在管道溫度還未下降到安全運(yùn)行溫度時，管道不足以承受1.0 MP 壓力，管道受損的風(fēng)險較大，因此建議在高溫季節(jié)，盡量在低溫時段啟泵，防止鋼骨架管道受損。

1.2 緬甸銅礦鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管運(yùn)行工況對自身強(qiáng)度的影響

在搶修堆浸場發(fā)生故障的鋼骨架塑料復(fù)合管時，我們將所有共12 處管道的故障部位剖開、分解，發(fā)現(xiàn)它們內(nèi)部損傷均有如表5 的相似癥狀。

表5 故障管道內(nèi)部損傷癥狀

根據(jù)該統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，12 處故障管道內(nèi)的鋼骨架全部被腐蝕，另外3 種癥狀的頻率均到達(dá)50%以上，可見管道故障包括鋼骨架與PE 脫層、管內(nèi)壁PE 層有孔眼、管內(nèi)壁PE 層有裂痕等3 種癥狀隨時間加重，進(jìn)而造成管道內(nèi)部鋼骨架接觸到酸性溶液而被腐蝕，當(dāng)這3 種癥狀同時存在時，會更快地造成管道內(nèi)部鋼骨架接觸到酸性溶液而被腐蝕。因此根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)物觀察與分析，同時查閱大量資料，找到造成這些不利于管道運(yùn)行癥狀的原因，制定相應(yīng)的防范措施。

1.2.1 長輸管線中水錘現(xiàn)象對管道內(nèi)壁損傷的情況

堆浸場及主泵站的鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管線均為長輸管線，在突然啟泵或停泵的過程中，管線中的液體流速度迅速發(fā)生變化，因為管線較長，管線中的流體在短時間內(nèi)不能到達(dá)均勻的流速，不同速度的液體在管道內(nèi)產(chǎn)生撞擊，波動前進(jìn)，這就是水錘效應(yīng)，啟泵時會產(chǎn)生正水錘，停泵時會產(chǎn)生負(fù)水錘。水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬時壓強(qiáng)變化能達(dá)到管道正常運(yùn)行壓力的幾倍甚至幾十倍，正水錘的強(qiáng)大壓力會使管道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。負(fù)水錘會形成強(qiáng)大負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，管道被吸癟，吸癟的管道在下次啟泵時會回彈恢復(fù)圓形，反復(fù)的吸癟及回彈，會對管壁造成疲勞損傷，從而產(chǎn)生裂縫，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。這種停泵時吸癟、運(yùn)行時又恢復(fù)回彈的現(xiàn)象在鋼骨架長管線的中段和尾端均有不同程度的體現(xiàn)，正好印證了水錘現(xiàn)象。

預(yù)防措施1：

為了減小水錘現(xiàn)象對管道的沖擊和破壞，可以從減小管道中溶液動能的角度出發(fā)，泵站啟泵時，先開一級泵（非變頻泵），緩慢地開啟泵站出口的閥門，根據(jù)管線內(nèi)徑、全長、泵的額定流量等參數(shù)計算出溶液充滿管線的時間,然后間隔半個小時待管線中液壓平衡后再開啟二級泵（變頻、升壓泵），開泵時先低頻運(yùn)行，然后每隔半小時提升一次二級泵的頻率，逐漸達(dá)到額定頻率。泵站停泵時，停泵順序與開泵順序相反，先逐步將二級泵的頻率降到最低，然后停二級泵，等管道中溶液壓力平衡后降停一級泵并緩慢關(guān)閉出口閥門。按照這種順序啟泵與停泵，可控制管線中的壓力平穩(wěn)變化，減緩水錘效應(yīng)，啟泵、停泵過程中管線中的壓力變化如圖1。

圖1 啟泵、停泵過程中管線中的壓力變化

1.2.2 氣蝕現(xiàn)象、溶液含砂量大對管道內(nèi)壁損傷的情況

泵站停泵或管道排空后，管線上各個分支閥門沒有及時關(guān)閉，空氣可能會從堆上管道進(jìn)入鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管線中，造成管道內(nèi)的溶液混合了一定的空氣。啟泵后空氣隨著液體高速向前運(yùn)動，形成氣包或泡沫，當(dāng)水錘產(chǎn)生時，壓強(qiáng)急劇變化，氣泡瞬時潰破并釋放出高速微射流，在管壁上形成細(xì)微的孔洞，孔洞逐漸變大形成裂縫，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。管道內(nèi)運(yùn)行的溶液需要噴淋到礦堆上，與礦堆反應(yīng)后收集到溶液池，再次通過管道輸送到礦堆噴淋，如此反復(fù)循環(huán)，從礦堆收集的溶液具有一定比例的含沙量，資料顯示，HDPE 耐磨性是普通碳鋼的4 倍以上，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于工況不同，管道的耐磨表現(xiàn)有很大差異。通常認(rèn)為，塑料管道的磨損受介質(zhì)中固體顆粒的粒徑、形態(tài)（銳度）、硬度、流速、濃度等因素影響較大。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗，故障管道內(nèi)PE 層出現(xiàn)一些細(xì)小的劃痕狀缺陷，應(yīng)與汽蝕和高流速溶液中沙礫磨礪的長期綜合作用密切相關(guān)。

預(yù)防措施2：

為了減少這種不利現(xiàn)象，在停泵時及時關(guān)閉管線上各個分支閥門，防止空氣從堆上管道進(jìn)管線中為汽蝕現(xiàn)場創(chuàng)造條件，另外在溶液收集池外增加沉砂池，起到一次沉淀作用，在泵站吸水管端設(shè)置濾網(wǎng)，起到二次澄清的作用。通過減少管線中溶液的空氣及砂礫含量，減小氣蝕及砂石磨礪管壁的強(qiáng)度。

1.2.3 熱脹冷縮現(xiàn)象對管道內(nèi)壁損傷的情況

緬甸銅礦現(xiàn)場為亞熱帶氣候，最高氣溫達(dá)到40 度以上，晝夜溫差可達(dá)到20 度以上，堆浸場的鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管線均為露天敷設(shè)，受太陽曝曬，黑色管線在正午最熱的時候吸熱后表面溫度會達(dá)到70 多度，而晚上管道降溫后表面溫度與環(huán)溫相同，約為20 度，溫度變化造成管道晝夜不停地?zé)崦浝淇s，根據(jù)我部在檢修鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管過程中發(fā)現(xiàn)，將管道鋸斷后，管線熱脹冷縮的收縮量為±100 mm 至±150 mm左右。因高密度聚乙烯管壁與管壁內(nèi)的鋼絲骨架的熱脹冷縮率不同，在管線反復(fù)伸縮的過程中，高密度聚乙烯管壁與管壁內(nèi)的鋼絲骨架的黏合力逐漸降低，局部脫層，并對管壁造成損傷形成裂紋，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低。

預(yù)防措施3：

緩解這種熱障冷縮現(xiàn)象的破壞作用，需從減小管壁溫差變化的角度采取措施[3]，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，可以將露天的管線涂上白色油漆，減少吸熱，緩解管壁的晝夜溫度差，或者采用黏土將管線覆蓋，使陽光無法照射，使管壁的晝夜溫度趨于一致，將熱脹冷縮效果降到最低。

2 結(jié)論

如何提高輸送強(qiáng)腐蝕性溶質(zhì)的壓力管道的穩(wěn)定性一直是工程中十分關(guān)鍵的問題，尤其是像緬甸銅礦這種大型項目，在正常生產(chǎn)條件下，壓力管道基本上保持長時間連續(xù)運(yùn)行，并且運(yùn)行環(huán)境濕度大、日照強(qiáng)、晝夜溫差大，壓力管道能在這種高強(qiáng)度且環(huán)境惡劣的情況下長久穩(wěn)定地運(yùn)行是保證生產(chǎn)任務(wù)的重要保證，通過現(xiàn)場考察反復(fù)實(shí)驗、多次對比、分析總結(jié)的方法，研究分析壓力管道在系統(tǒng)中位置、外部環(huán)境、運(yùn)行工況、介質(zhì)屬性、含沙量等各個因素對管道抗腐蝕性能的影響，提出了強(qiáng)腐蝕性運(yùn)行條件下的故障預(yù)防措施，能有效地保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。