我國長距離漿體管道輸送系統的應用概況與展望

陳光國

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

我國長距離漿體管道輸送系統的應用概況與展望

陳光國

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

長距離漿體管道是一種高效、節能、環保的運輸方式，擁有廣闊的應用空間和發展前景。為了使我國漿體輸送從業人員更加全面、及時地了解管道輸送系統的現狀和動態信息，以便進一步推動該技術在我國的應用和發展，著重介紹了國內漿體輸送系統動力泵、管材和閥門的研發、制造水平，總結了管道輸送系統主要設備和材料的應用概況及最新進展，并對未來漿體管道輸送系統的發展趨勢進行了展望。

漿體管道 動力泵 管材 漿體閥門 設備

我國漿體管道輸送方式經歷了近60 a的發展，已有逾20條長距離、大運量、復雜地形的現代化漿體管道工程陸續建成投產，漿體管輸系統的應用取得了長足的發展。隨著我國自主設計建設的世界上規模最大的長距離輸煤管道——神渭管道工程的實施，我國漿體管道運輸領域將迎來新的發展契機。

長距離漿體管道輸送系統主要包括動力泵、管材和閥門3大部分。20世紀90年代以來，隨著我國甕福磷礦和尖山鐵精礦漿體管道工程成功運行，帶動了漿體管輸相關技術和設備產業的發展[1]。隔膜泵、柱塞泵、渣漿泵和螺桿泵等漿體管道核心動力設備從無到有，從有到優，國內泵類機械制造企業通過自主研發和消化吸收國外先進技術，填補了多項技術空白，尤其是隔膜泵的技術水平和生產能力經過近20 a的發展，已經達到了國際領先水平。漿體管道管材應用也取得了飛躍性的進展，隨著我國鋼鐵冶煉技術水平提高和國外先進卷管焊接機械及加工工藝的引進，國產管材品種和質量標準已經充分與國際接軌[2]。漿體管道具有壓力高、磨腐蝕強、埋地敷設等特點，管材一般以鋼管為主。近10 a來，已被證實適用于漿體輸送的耐磨管道新材料主要有超高分子聚乙烯管、耐磨陶瓷管、增強尼龍管及各種鋼制復合管道，以上新材料與鋼管組合形成內襯復合管，其耐磨腐蝕和降阻的性能將遠遠超過純鋼管，對拓展苛刻條件和復雜地形漿體管道輸送具有重要意義。漿體管輸條件比清水和油氣等單相流體更加苛刻，漿體閥門與傳統的閥門相比，在密封性、耐磨蝕性和自動化程度方面要求更高。我國漿體閥門與漿體管道同步誕生和發展，隨著高性能不銹鋼和合金鋼的出現，以及現代耐磨層噴涂技術和先進密封技術的進步，國產的漿體閥門尺寸規格越來越大，壓力等級越來越高。目前，國產閥門大多數已經能夠符合國外嚴格的檢驗標準，并逐漸取代進口閥門，出現在國內外長距離漿體管道工程中。

我國是世界上礦產資源生產和消費大國，當前，漿體管道水力輸送仍處于起步階段，作為一種新興的節能環保運輸方式，尚存在廣闊的應用空間，與之配套的動力泵、管材和閥門等漿體管道主要設備和材料也隨之不斷改進和創新，并呈現出專業化和多元化的發展趨勢。

1 主要設備及材料應用概況

漿體管道工程一般分為首端工程、管線工程、終端工程3大單項工程，距離較長或管線向上高差較大的管道，通常會設置中間接力泵站工程。首端工程通常包含供料系統、制漿系統、緩沖喂料系統和泵輸系統等單位工程；管線工程通常含管線系統、全線壓力監測站和截斷閥站系統；終端工程通常包含儲漿系統、廢漿處理系統、脫水系統等部分，地形復雜的管線終端通過設置消能站來防止加速流和空化危害。漿體管道輔助工程主要包括給排水系統、供電系統、通信系統和自動化控制系統等。漿體管道工程各分系統主要由泵、管、閥等3大類設備和材料組成。

1.1 動力泵

泵是漿體管道的心臟[3]，其選型是否合理，不僅直接影響管道工程基本建設投資，更重要的是關系到投產后管輸系統運行的安全可靠性和運營成本。目前，適用于漿體輸送的動力泵主要有離心式渣漿泵、活塞隔膜泵、柱塞泵和螺桿泵4大類。

(1)離心式渣漿泵。離心式渣漿泵(又稱雜質泵)是我國最早出現的漿體泵，也是當前發展門類最齊全，適用漿體范圍最廣泛的泵種[4]。目前我國渣漿泵加工制造水平已經位于世界前列，國內現代化泵廠很多，以石家莊強大泵業、石家莊工業泵廠、上海凱泉泵業等為代表的制造企業，紛紛引入了CFD、CAE等先進的設計手段，在工業領域形成20多個系列，將近300多個品種的各類渣漿泵。

國內渣漿泵幾經更新換代，性能明顯提升，可實現多級渣漿泵串聯使用，最大工作壓力可達5 MPa，泵過流件通過采用高鉻耐磨合金或耐磨陶瓷涂層等新材料，能成倍延長泵體使用壽命。同時，渣漿泵密封關鍵技術也有所突破，新型的集裝式機械密封比傳統的盤根填料密封、副葉輪密封和彈簧分離式機械密封泄漏量更小、使用壽命更長，機械效率更高。離心式渣漿泵與漿體管道的發展息息相關，渣漿泵通常在低壓力、大顆粒、大流量的短距離漿體管道中普遍使用[5]。

(2)活塞隔膜泵。活塞隔膜泵是從傳統油隔離泵基礎上發展演變而來的新型動力泵，主要適應于高溫、高壓、強磨腐蝕性的煤化工、氧化鋁和各類長距離精尾漿體管道工程，隔膜泵主要有單缸、雙缸和三缸3種結構形式，成套泵是由動力端、液力端、液壓控制系統、電機減速系統、電控系統等部件組成。

我國隔膜泵研發和制造起步較晚，由于泵體結構復雜，且應用領域有限，國內具備生產能力的制造企業不到5家。中國有色沈陽泵業和重慶水泵廠是我國隔膜泵的行業引導者，重慶水泵廠于1955年成功研制我國第1臺三缸高壓往復泵，20世紀80年代末在往復式柱塞泵及隔膜計量泵的基礎上開展了大型液壓隔膜泵的研制，1989年開始生產出我國第1臺活塞隔膜泵產品。中色沈陽泵業于1991年啟動了隔膜泵的研發和設計工作，1994年制造出第1臺雙缸雙作用隔膜泵，2007年開發出先進的第3代雙缸雙作用、三缸單作用系列隔膜泵，現已具備年產大型隔膜泵100臺以上的能力。這兩家企業在自主研發和吸收國外先進技術的基礎上，使我國在短短20 a時間內，就達到隔膜泵制造世界領先水平。目前，我國隔膜泵企業迅速做大做強，國產泵性能水平穩步提高，部分測試指標已可與國際知名的荷蘭GEHO(奇好)、德國WIRTH(維爾特)和FELUWA(菲魯瓦)隔膜泵產品比肩，尤其是神渭輸煤管道項目6級泵站34臺主隔膜泵全部國產化，將帶領我國隔膜泵產業走向國際舞臺。隔膜泵的出現，為我國長距離和苛刻工況漿體管道工程建設創造了有利條件。

(3)柱塞泵。柱塞泵是往復式容積泵的一種，主要通過液壓系統驅動柱塞在缸體內往復運動，使缸體容積發生變化來吸入和排出漿體。柱塞泵目前有單缸和雙缸2種結構形式，主要適用于粗顆粒、高壓力、高濃度、高黏度等苛刻工況漿體管道，柱塞泵是長距離漿體管道重要泵種，能夠很好地彌補隔膜泵在漿體顆粒粒徑方面的缺陷，已被廣泛應用于建筑混凝土輸送、礦山金屬和非金屬充填、尾礦膏體輸送、污泥和電廠灰渣輸送等行業。

我國早在20世紀50年代就已經開始了柱塞泵雛形的研發和簡單應用，但進展緩慢，隨著液壓驅動技術和耐磨新材料的發展，柱塞泵于20世紀90年代初，在礦山充填開采中最先使用[6]。隨后，我國建筑行業開始引入混凝土泵送技術，柱塞泵作為混凝土泵，掀起了建筑業混凝土泵送澆筑方式的革命，并迅速在漿體領域其他行業擴展。

我國柱塞泵技術從引進到創新，研發制造能力不斷增強，以三一重工、中聯重科和飛翼股份為代表現代化泵企迅速崛起，2012年1月，我國最大的工程機械企業——三一重工，成功并購全球最大的混凝土機械制造商——德國普茨邁斯特(Putzmeister)，標志著我國柱塞泵技術水平和生產能力已經全球領先。隨著我國粗顆粒煤炭管道運輸、矸石充填及尾砂筑壩等新技術、新工藝出現，將帶動柱塞泵往高壓力、大排量方向不斷演進，柱塞泵有望成為未來長距離漿體管道主力泵種。

(4)螺桿泵。螺桿泵是容積式轉子泵，它依靠螺桿和襯套形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體[7]。螺桿泵按螺桿數目可分為單螺桿泵、雙螺桿泵和三螺桿泵。螺桿泵能適應高濃度、高黏度和含粗顆粒(顆粒直徑不超過轉子偏心距)的漿體。

我國螺桿泵的研制始于20世紀60年代，天津市工業泵總廠于1984年引進德國Allweiler公司的制造技術后開始批量生產。我國天津泵業機械集團、重慶明珠機電有限公司等泵企在螺桿泵制造使用方面實力領先。在低壓力、高濃度、高黏度的漿體管道工程中，螺桿泵與離心式渣漿泵相比有一定的優勢，但在高壓力、大流量的長輸漿體管道中與隔膜泵和柱塞泵相比尚有差距。目前，螺桿泵主要在油氣田開采行業氣液混輸、原油外輸、聚合物輸送、污油污水輸送應用較多，在漿體管道輸送領域還處于推廣應用階段。

漿體管道系統4大類動力泵(單泵)性能比較見表1。

表1 漿體管道系統4大類動力泵(單泵)性能比較

隨著我國漿體管道技術的不斷發展，以上4種主要動力泵均經歷了多代技術革新，泵品種更繁多、功能更全面，現有各種物料漿體管道基本上都存在匹配的泵型可供選擇。此外，水隔離泵、轉子泵、潛水泵等諸多泵種也隨漿體管輸技術的進步得到了長足的發展，并應用到漿體領域的方方面面，為我國漿體管道事業的飛躍提供著源源不斷的動力。

1.2 管 材

管材是漿體管道工程的重要組成部分，材質優劣將直接影響管道運行安全和投資成本。至今，我國還未啟動漿體管道專用鋼管的研制和批量生產，漿體管道工程設計和建設執行的國內外標準規范中，鋼管選材主要依據《GB/T 9711 石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》和《API SPEC 5L 管線鋼管規范》，管線鋼管按生產工藝不同分為無縫鋼管、電阻焊鋼管、埋弧焊鋼管等8種[8]，目前使用最多的有無縫鋼管(SMLS)、直縫高頻電阻焊管(ERW)、直縫埋弧焊管(SAWL)、螺旋縫埋弧焊管(SSAW)等4種類型。

(1)無縫鋼管主要在短距離、小管徑流體管道應用較多，也常用作各種復合鋼管的外套管。與焊接鋼管相比，較大口徑的無縫鋼管，其外觀質量、焊接性、尺寸精度等方面都較差，且造價較高。

(2)螺旋焊縫管造價適中，但由于其焊縫較長，焊縫缺陷的幾率較高，同時管道內焊縫余高呈現螺旋狀，對漿體的流態有一定影響，螺旋焊縫管在我國長距離、大口徑油氣管道廣泛使用，但作為磨蝕性和腐蝕性較強的漿體干線管材，仍存在少量的風險。

(3)直縫焊鋼管克服了無縫管和螺旋管的諸多不足，是我國目前漿體管道使用最多的鋼管類型。直縫焊管主要分高頻電阻焊與埋弧焊鋼管兩類。在管徑系列上，二者可以優勢互補；在焊縫強度上，高頻電阻焊由于沒有焊材填縫，其強度最高等于母材，與埋弧焊鋼管相比處于弱勢，但其采用鋼卷作原材料，生產成本比埋弧焊管稍低。我國目前已建成的長距離漿體管道，如太鋼尖山、云南大紅山、包鋼白云鄂博、攀鋼新白馬等鐵精礦管道，由于管徑均偏小，所以采用直縫高頻焊管居多。

神渭輸煤管道的建設，帶動了我國鋼企對漿體管線鋼的研發熱情，2011年在管線鋼行業處于國內領先地位的武鋼集團研究院，專門針對煤漿管道的特點，率先研究開發出WJ系列管線鋼。神渭管道項目采用的WJ65鋼的生產工藝流程與X65鋼一致，其強度、韌性及可焊性等力學性能指標均等同于甚至優于X65管線鋼，尤其是耐磨性能比X65管線鋼高出10%以上，WJ65管線鋼的研制生產并在長距離漿體管道正式投入使用，標志著我國漿體管線鋼已經逐漸專業化。

近10 a來，適用于漿體輸送的耐磨管道新材料不斷涌現，如超高分子聚乙烯管、耐磨陶瓷管、增強尼龍管及各種鋼制復合管道，其優良的耐磨性能已經在苛刻漿體工況中得到充分驗證。國內近期開發研制的超高分子量聚乙烯管材(UHMW-PE)，提出了“以塑代鋼，比鋼更強”的質量目標，該產品聚合而成的平均分子量>350萬的熱塑性工程塑料，集中了其他非金屬管道耐磨、耐腐蝕、耐壓等多重優點[9]，可在-70～90 ℃溫度條件下工作，管徑最大可達800 mm，最高耐壓可達2.5 MPa，目前已在國內的金屬尾礦和疏浚工程中開始使用，并展現出優良的性能。現有耐磨新材料管材在輸送漿體時也存在各種各樣的缺陷和不足，如超高分子聚乙烯管承壓能力低、韌性差；陶瓷管道單節管較短(一般不超過3 m)、脆性大、不能單獨焊接；橡膠、尼龍管道易老化、使用壽命短等等。如今，上述耐磨新材料管材在短距離、低壓力、地勢平坦的漿體管道可獨立使用，在長距離、高壓力、復雜地形條件下也大有用處，它們均可用作內襯耐磨層，與鋼管形成復合管道，這樣既可利用鋼管的耐壓和可焊性，又兼具了耐磨材料的突出優點[10]，不僅大幅提高了漿體管材的使用壽命，而且還能節省大量的鋼材，降低管道工程投資成本。

1.3 漿體閥門

我國漿體閥門與漿體管道同步誕生和發展，它是漿體管道系統的重要組成部分，其投資額最高約占管道工程總投資的1/5。目前常用的漿體閥門主要有球閥、旋塞閥、閘閥等幾大類。漿體閥門是在通用閥門結構形式基礎上優化、改進而來，與其他通用閥門相比，漿體閥門使用工況更加苛刻，主要用于高溫、高壓、強腐蝕性、強磨蝕性等環境條件。漿體閥門需采用優質的耐磨材料、嚴格的密封結構、特殊的防堵塞設計、且需配備功能強大的執行機構，因此，漿體閥門結構源于傳統閥門，質量和造價高于通用閥門[11]。

(1)刀閘閥結構簡單、體積較小、操作維護簡便、造價低廉，是漿體管道在低溫、低壓管路上普遍采用的閥門類型，國產漿體刀閘閥最大公稱直徑DN1 600，最大公稱壓力可達4.0 MPa，其主要缺點是使用壽命較短(一般5～10 a)、易泄漏、故障率較高、后期維護成本高。

(2)球閥是由旋塞閥演變而來的，利用球體繞閥桿的軸線旋轉90°實現閥門開啟和關閉。漿體球閥主要優點是使用壽命長、結構緊湊、耐高壓、耐磨腐蝕性強、流體阻力小、開關迅速、密封性能好、適用范圍廣，主要缺點是結構復雜、體積較大、造價昂貴、在漿體中開閉時容易卡閥嗤閥。隨著耐磨新材料和噴涂技術的不斷進步，漿體球閥過流面通過噴涂司太立合金(STL)、鎳基合金、碳化鉻(Cr3C2)、碳化鎢(WC)等耐磨層，能成倍提高閥門使用壽命。全通徑、高壓力、大口徑、雙向密封、長使用壽命的漿體球閥逐漸取代其他類型閥門，成為長距離高壓漿體管道的首選閥類。我國球閥制造企業眾多，制造能力最大公稱壓力42 MPa，最大公稱直徑DN3 000，國內漿體管道已投入使用的球閥最大口徑DN600，最高工作壓力25 MPa，已達到國際同等產品水準，但是國產高壓耐磨閥門在加工精度、材質和結構設計方面與國外先進技術相比仍存在差距，目前，無論是油氣管道還是漿體管道，關鍵位置球閥仍以進口為主。

(3)漿體旋塞閥原理與球閥相似，主要分為規則型、短型、文丘里型和全通徑型4類。旋塞閥的閥塞為柱型或錐形，過流通道一般為梯形，因此與同類型的球閥相比，旋塞閥密封面遠大于球閥，密封效果好、耐磨蝕和沖刷，而且漿體管道中可以作耐磨調節閥使用，結構簡單、造價較低。旋塞閥的缺點主要是扭矩偏大、操作不靈活，需要注脂密封、公稱尺寸較小(一般不大于DN800)。我國旋塞閥企業數量較多、但制造規模小，產品主要以小尺寸的旋塞閥為主，一般用于長輸管道排污、泄空和截斷等位置。漿體管道大尺寸、高壓力的耐磨旋塞閥以進口為主，由于旋塞閥功能與球閥相當，且造價低于球閥，因此，旋塞閥在漿體管道中仍有廣闊的應用空間。

2 漿體管輸系統展望

2013中國國際管道大會上，國內外專家共同展望：未來長距離管道將朝著更大口徑、更高壓力、更高鋼級、更多介質和更加智能的方向發展[12]。

現代長距離漿體動力泵總體發展方向是大流量、高揚程、高效率、零泄漏、耐磨、耐腐蝕、使用壽命長。其中，大流量、高壓力的隔膜泵和柱塞泵是長距離漿體管道應重點發展的泵種，應注重簡化泵體結構、提高泵體易損件使用壽命和對苛刻漿體顆粒的適應性，增強泵的智能化和安全使用水平。

我國管線鋼正向管徑1 422 mm、X90/X100鋼級、0.8設計系數的高強度管材邁進[13]，漿體輸送鋼管亟需系列化和專業化，同時，應積極拓展高性能耐磨新材料管材和優質復合管材的研發與工程應用。

國產漿體閥門應加強通用閥門向漿體專用閥門在結構、材質和精加工水平等方面的轉化和改進，努力提高大尺寸、高磅級、耐磨腐蝕性強、密封性好、自動化程度高的漿體閥門設備，尤其是球閥的研發制造水平，提升閥門執行機構的智能水平和可靠性。

此外，漿體管道系統專用設備，如進排氣閥、安全閥、調節閥、孔板、爆破片等，在國內還存在許多空白，需鼓勵國內企業自主研發生產，并提高現有產品的質量和性能。其他長輸管道系統通用設備，如自動化控制設備、焊接設備、管道泄漏和爆管監測與防控設備等，則可充分借鑒和吸收現代油氣管道成熟的產品和技術，實現跨越式發展。

3 結 論

綜上所述，我國漿體管道技術發展至今，軟實力和硬件條件穩步提升，泵、管、閥等主要設備和材料的研發、制造和應用水平迅速提高，長距離管輸系統核心技術和關鍵設備逐漸擁有了自主知識產權。盡管部分高壓、大流量國產管輸設備在加工精度、材質和結構設計方面與國外先進技術水平相比仍存在一定差距，隨著我國自主設計建造的神渭輸煤管道工程的建設實施，長距離漿體管道“中國制造”指日可待。我國漿體管道將努力實現數字管道、安全管道、綠色管道的宏偉目標。

[1] 吳湘福.礦漿管道輸送技術的發展與展望[J].金屬礦山，2000(6)：1-7. Wu Xiangfu.Development and prospect of the pipe transportation technology of ore pulp[J].Metal Mine，2000(6)：1-7.

[2] 畢宗岳，張萬鵬，牛 輝，等.基于0.8管道設計系數的X80焊管性能研究[J].焊管，2014，37(1)：11-17. Bi Zongyue，Zhang Wanpeng，Niu Hui，et al.Study on X80 welded pipe performance designed by using 0.8 coefficient [J].Welded Pipe and Tube，2014,37(1)：11-17.

[3] 費祥俊.漿體與粒狀物料輸送水力學[M].北京：清華大學出版社，1994. Fei Xiangjun.Slurry and Granular Material Transport Hydraulics[M].Beijing：Tsinghua University Press，1994.

[4] 關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995. Guan Xingfan.Handbook of Modern Pump Technology[M].Beijing:China Astronautic Press，1995.

[5] 王紹周.粒狀物料的漿體管道輸送[M].北京：海洋出版社，1998. Wang Shaozhou.Slurry Pipeline for Granular Material Transportation[M].Beijing:China Ocean Press,1998.

[6] 周愛民.礦山廢料膠結充填[M].長沙:冶金工業出版社，2007. Zhou Aimin.Mine Waste Cemented Filling[M].Changsha：Metallurgical Industry Press,2007.

[7] 李福天.螺桿泵[M].北京：機械工業出版社，2010. Li Futian.Screw Pump[M].Beijing:China Machine Press，2010.

[8] American Petroleum Institute.ISO3183-2007 Steel pipe for pipeline transportation systems[S].Washington：American National Standards Institute，2007.

[9] 張春陽，曹 平，仵鋒鋒，等.超高分子量聚乙烯耐磨性試驗及應用[J].金屬礦山，2008(7)：112-116. Zhang Chunyang，Cao Ping，Wu Fengfeng，et al.Wear resistance test of ultra-high molecular weight polyethylene and its application[J].Metal Mine，2008(7)：112-116.

[10] 周成湘，申明華.試論陶瓷復合鋼管在漿體管道中的應用前景[J].冶金礦山設計與建設，2000，32(4)：34-38. Zhou Chengxiang，Shen Minghua.On application prospect of complex steel pipe lined with porcelain in slurry pipeline[J].Metal Mine Design & Construction，2000,32(4)：34-38.

[11] 錢桂華，曹 晰.漿體管道輸送設備實用選型手冊[M].北京：冶金工業出版社 1995. Qian Guihua，Cao Xi.Slurry Pipeline Transportation Equipment Practical Selection Manual[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,1995.

[12] 中國石油新聞中心.中國管道發展趨勢探析[EB/OL].[2015-01-05].http:∥news.cnpc.com.cn/system/20131009001450438.shtml. China National Petroleum Corporation News Center.An analysis of the development trend of China pipeline[EB/OL].[2015-01-05].http:∥news.cnpc.com.cn/system/20131009001450438.shtml.

[13] 王曉香.當前管線鋼管研發的幾個熱點問題[J].焊管，2014(4)：5-13. Wang Xiaoxiang.Several hot issues of current research and development of line pipe[J].Welded Pipe and Tube，2014(4)：5-13.

(責任編輯 羅主平)

Application Situation and Prospect of Long Distance Slurry Pipeline Transportation System in China

Chen Guangguo

(WuhanDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，CoalPipingDivision，Wuhan430064,China)

As a high efficiency，new energy-saving and environment-friendly modes of transportation，the long distance slurry pipelines has a broad application and development prospects.In order to make slurry workers understanding of the status and dynamic information of pipeline transportation system more comprehensive and immediate，so as to promote the application and development on the technology in China，manufacture development and application level of domestic pipeline transportation system is introduced on the aspects of power pump，pipes and valves.The latest progress and application situation of main equipments and material in pipeline transportation system are summarized.Future development trend of slurry pipeline transportation system is prospected.

Slurry pipeline，Power pump，Pipes，Slurry valves，Equipment

2015-02-02

中國煤炭科工集團科技創新基金項目(編號：2014QN036)。

陳光國(1985—)，男，工程師，碩士。

TD928.6，TD463

A

1001-1250(2015)-05-153-05