淺析尾礦輸送管道溫度補(bǔ)償方式

朱俞仿

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038）

1 引言

尾礦庫作為礦山生產(chǎn)過程中重要的安全環(huán)保設(shè)施，主要堆存選礦廠提取精礦后產(chǎn)生的尾礦，其重要性不言而喻。隨著國家安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，新建尾礦庫選址要求越來越高，選址難度越來越大，符合各項要求的尾礦庫庫址往往距選礦廠較遠(yuǎn)，有的甚至在數(shù)十公里以外。尾礦輸送管道是布置在礦山選礦廠與尾礦庫之間，專門用來輸送礦漿的管道。在當(dāng)前形勢下，作為經(jīng)濟(jì)性最好的尾礦輸送方式，尾礦管道輸送就顯得尤為重要。雖然管道輸送的尾礦漿一般都在常溫條件下，管道內(nèi)外部溫度變化不大，但是由于尾礦輸送管道往往都是野外沿地表敷設(shè)，隨著晝夜溫差以及季節(jié)溫度的變化，管道將發(fā)生溫度變形，如果在設(shè)計建設(shè)過程中不進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將對管道正常運行使用造成重大安全隱患，嚴(yán)重時可能造成管道結(jié)構(gòu)破壞以及尾礦滲漏的重大環(huán)保事故。因此，在尾礦輸送管道工程中，管道溫度補(bǔ)償是不可忽視的環(huán)節(jié)，不同管材的溫度補(bǔ)償方式的適應(yīng)性分析，對以后尾礦管道輸送工程實踐也具有一定的指導(dǎo)意義。

2 不同管材的溫度伸縮量

由于管道輸送的尾礦漿體為固液兩相流，通過一定的流速進(jìn)行輸送，在輸送過程中，固體顆粒對管壁會有一定的磨損，因此，尾礦輸送管一般選用耐磨性較好的高強(qiáng)鋼管、內(nèi)襯耐磨鋼管（包括內(nèi)襯鑄石、內(nèi)襯陶瓷、內(nèi)襯橡膠、內(nèi)襯高分子材料等）、鋼骨架管（鋼骨架尼龍、鋼骨架HDPE）、純尼龍管、純HDPE管等。不同的管材熱脹冷縮的性質(zhì)是不一樣的，也就是說在外界溫度變化的條件下，不同管材變形大小不一樣。線膨脹系數(shù)是表征一般指由于外界溫度變化時，管材的線性尺寸隨溫度變化率的指標(biāo)參數(shù)。不同的管材有不同的線膨脹系數(shù)。根據(jù)線膨脹系數(shù)能夠準(zhǔn)確計算出在相應(yīng)溫度變化下、相應(yīng)管線長度的溫度變形量。其計算公式如下：

上式中，ΔL為管材變形長度，單位m；L為直線段管線長度，單位m；α為管材的線膨脹系數(shù)，單位1/℃；tmax為該地區(qū)管壁所能達(dá)到的最高溫度，單位℃，當(dāng)?shù)V漿溫度高于上述溫度時，取礦漿溫度；tmin為該地區(qū)的絕對最低溫度，單位℃。

為了比較不同管材的溫度伸縮量，根據(jù)式（1）對其進(jìn)行計算，為了便于比較，直線的管線長度取100m，根據(jù)中國大部分地區(qū)實際情況，tmax取40℃，tmin取-10℃。據(jù)此，對不同線膨脹系數(shù)的鋼管（包括高強(qiáng)鋼管與耐磨鋼管）、鋼骨架管、尼龍管以及HDPE管的溫度伸縮量進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1所示。

表1 不同管材的溫度伸縮量計算結(jié)果

根據(jù)表1計算結(jié)果，不同管材溫度伸縮量相差較大，鋼管溫度伸縮量最小，HDPE管溫度伸縮量最大，兩者相差10倍以上。因此，應(yīng)針對不同的尾礦輸送管，選擇適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償方式。

3 管道伸縮溫度補(bǔ)償方式選擇

管道溫度補(bǔ)償方式主要有管道自然補(bǔ)償和伸縮節(jié)補(bǔ)償，伸縮節(jié)又稱為管道伸縮節(jié)、膨脹節(jié)、補(bǔ)償器、伸縮器等。

管道自然補(bǔ)償就是根據(jù)管道的布置形式，通過管道自身的調(diào)整來適應(yīng)溫度伸縮變形，一般在彎管段布置管道自身的空間自然補(bǔ)償。空間自然補(bǔ)償管段的補(bǔ)償能力能否滿足要求，可按如下公式進(jìn)行判別：

上式中：DN為管道公稱直徑，單位mm；ΔL管道三個方向溫度伸長量的向量和，單位cm，可按照式（3）進(jìn)行計算；L為管段的展開長度，單位m；U為管段兩固定點之間的直線距離，單位m，可按照式（4）進(jìn)行計算；

上兩式中：Δx、Δy、Δz為計算管段沿坐標(biāo)軸x、y、z的溫度變形量，單位cm；x、y、z為計算管段沿坐標(biāo)軸x、y、z的長度，單位m。

管道伸縮節(jié)又分為矩形（方形）伸縮節(jié)、套管式伸縮節(jié)、波形伸縮節(jié)、球形伸縮節(jié)、可曲擾橡膠伸縮節(jié)以及卡箍式柔性伸縮接頭等。矩形（方形）伸縮節(jié)由四個90°彎頭組成，在動力管道設(shè)計中比較常用，根據(jù)尺寸不同，補(bǔ)償量一般為30mm～250mm。套管式伸縮節(jié)又分為N-H型系列無推力伸縮節(jié)、GSJ型套管伸縮節(jié)、自調(diào)式套管伸縮節(jié)三種。N-H型系列無推力伸縮節(jié)適用于直埋、地溝、架空敷設(shè)管段上，適用介質(zhì)溫度t 450 ，適用壓力 ，補(bǔ)償量為200mm～400mm；GSJ型套管伸縮節(jié)適用介質(zhì)溫度40～400 ，適用壓力 ，補(bǔ)償量單節(jié)為200mm，雙節(jié)為400mm；自調(diào)式套管伸縮節(jié)的特點是采用壓緊彈簧自動壓緊伸縮部分的密封材料，適用介質(zhì)溫度t 350 ，適用壓力等級有1.6MPa和2.5MPa兩個等級，補(bǔ)償量為200mm～400mm。波形伸縮節(jié)的機(jī)構(gòu)型式主要有三大類：軸向型、橫向型以及角向型，最大補(bǔ)償量在200mm以下，能夠適應(yīng)一定的角度偏移。球形伸縮節(jié)必須成對使用，用介質(zhì)溫度t 300 ，適用壓力 ，全折屈角 ?？汕鷶_橡膠伸縮節(jié)采用多層次連線結(jié)構(gòu)，能同時伸長壓縮和偏轉(zhuǎn)位移，能適應(yīng)溫度變形與基礎(chǔ)沉降，適用介質(zhì)溫度t -20 ～100 ，適用壓力，補(bǔ)償量為25mm以下?？ü渴饺嵝陨炜s接頭適用于多種介質(zhì)，是各類傳統(tǒng)柔性伸縮接頭的替代品，用介質(zhì)溫度t 230 ，適用壓力 ，其安裝拆卸方便簡單，允許3左右的軸向偏轉(zhuǎn)，補(bǔ)償量在40mm以下。以上所述各種伸縮節(jié)除卡箍式柔性伸縮接頭與鋼管采用焊接連接外，其它伸縮節(jié)均采用法蘭連接。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，在尾礦管道輸送工程中常用的伸縮節(jié)主要有鋼制套管式伸縮節(jié)、波形伸縮節(jié)、可曲擾橡膠伸縮節(jié)、卡箍式柔性伸縮接頭，由于除卡箍式柔性伸縮接頭與鋼管采用焊接連接外，其它伸縮節(jié)均采用法蘭連接，因此，從理論上分析，除卡箍式柔性伸縮接頭僅適用于鋼管（包括高強(qiáng)鋼管和耐磨鋼管）外，其它尾礦輸送管道工程中常用的伸縮節(jié)均可適用于各種不同的尾礦管材。為了進(jìn)一步從實際應(yīng)用上進(jìn)行分析，根據(jù)表1計算的各種不同管材的溫度伸縮量和各種類型伸縮節(jié)的補(bǔ)償量，對100m長不同管材在通常情況所需伸縮節(jié)數(shù)量進(jìn)行計算，其中鋼制套管式伸縮節(jié)補(bǔ)償量按200mm計，波形伸縮節(jié)補(bǔ)償量按100mm計，可曲擾橡膠伸縮節(jié)補(bǔ)償量按15mm計，卡箍式柔性伸縮接頭補(bǔ)償量按20mm計，計算中考慮1.5的安全系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 100m長不同管材所需伸縮節(jié)計算結(jié)果

根據(jù)表2計算結(jié)果，可曲擾橡膠伸縮節(jié)在尾礦輸送鋼骨架管、尼龍管、HDPE管中用量較大，同時尾礦輸送管外部管線通常都采用焊接方式連接，由于安裝伸縮節(jié)需要多次斷開管道，配置對口法蘭，材料費用與安裝成本都較高，因此，在鋼骨架管、尼龍管、HDPE管中采用可曲擾橡膠伸縮節(jié)經(jīng)濟(jì)性較差。波形伸縮節(jié)在100m長HDPE管中用量也超過10個，在實際工程中使用經(jīng)濟(jì)性也不太合理。

根據(jù)上述分析，對不同的尾礦輸送管材與包括自然補(bǔ)償?shù)母鞣N溫度補(bǔ)償方式的適應(yīng)性進(jìn)行分析匯總，匯總結(jié)果見表3。

表3 不同管材與各種溫度補(bǔ)償方式適應(yīng)性分析結(jié)果

在尾礦輸送過程中，由于鋼骨架管、尼龍管、HDPE管在一般情況下無需做管道防腐處理，因此可以直接置于地表、半埋或者全面地下，更加適用于采用管道自然補(bǔ)償方式。

4 結(jié)語

本文通過對不同尾礦輸送管材溫度伸縮量的計算，以及對不同管材與各種溫度補(bǔ)償方式的適應(yīng)性分析，得出如下主要結(jié)論：

（1）不同的尾礦輸送管材溫度伸縮量相差較大，鋼管比HDPE管溫度伸縮量至少大10倍以上；

（2）采用鋼制管材作為尾礦輸送管時，直線段距離較長時可選用鋼制套管式伸縮節(jié)與波形伸縮節(jié)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在局部非直線段，角度偏轉(zhuǎn)較大時可選用可曲擾橡膠伸縮節(jié)，經(jīng)常需要拆卸檢修的管段可選用卡箍式柔性伸縮接頭，在彎管段也可采用管道自然補(bǔ)償方式；

（3）采用鋼骨架管、尼龍管以及HDPE管作為尾礦輸送管時，可根據(jù)管道敷設(shè)方式優(yōu)先采用管道自然補(bǔ)償方式，當(dāng)需要對管道兩端進(jìn)行固定時，可采用套管式伸縮節(jié)對管段進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

本文僅針對不同管材的溫度補(bǔ)償進(jìn)行了粗略分析，有些問題尚需進(jìn)一步深入研究，方能更好的指導(dǎo)工程實踐。