淺析尾礦輸送管道溫度補償方式

朱俞仿

（中國恩菲工程技術有限公司 北京 100038）

1 引言

尾礦庫作為礦山生產過程中重要的安全環保設施，主要堆存選礦廠提取精礦后產生的尾礦，其重要性不言而喻。隨著國家安全環保標準越來越嚴格，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，有的甚至在數十公里以外。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。在當前形勢下，作為經濟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，隨著晝夜溫差以及季節溫度的變化，管道將發生溫度變形，如果在設計建設過程中不進行溫度補償，將對管道正常運行使用造成重大安全隱患，嚴重時可能造成管道結構破壞以及尾礦滲漏的重大環保事故。因此，在尾礦輸送管道工程中，管道溫度補償是不可忽視的環節，不同管材的溫度補償方式的適應性分析，對以后尾礦管道輸送工程實踐也具有一定的指導意義。

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鋼管、內襯耐磨鋼管（包括內襯鑄石、內襯陶瓷、內襯橡膠、內襯高分子材料等）、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參數。不同的管材有不同的線膨脹系數。根據線膨脹系數能夠準確計算出在相應溫度變化下、相應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，單位1/℃；tmax為該地區管壁所能達到的最高溫度，單位℃，當礦漿溫度高于上述溫度時，取礦漿溫度；tmin為該地區的絕對最低溫度，單位℃。

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

表1 不同管材的溫度伸縮量計算結果

根據表1計算結果，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，應針對不同的尾礦輸送管，選擇適當的溫度補償方式。

3 管道伸縮溫度補償方式選擇

管道溫度補償方式主要有管道自然補償和伸縮節補償，伸縮節又稱為管道伸縮節、膨脹節、補償器、伸縮器等。

管道自然補償就是根據管道的布置形式，通過管道自身的調整來適應溫度伸縮變形，一般在彎管段布置管道自身的空間自然補償?？臻g自然補償管段的補償能力能否滿足要求，可按如下公式進行判別：

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）進行計算；

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

管道伸縮節又分為矩形（方形）伸縮節、套管式伸縮節、波形伸縮節、球形伸縮節、可曲擾橡膠伸縮節以及卡箍式柔性伸縮接頭等。矩形（方形）伸縮節由四個90°彎頭組成，在動力管道設計中比較常用，根據尺寸不同，補償量一般為30mm～250mm。套管式伸縮節又分為N-H型系列無推力伸縮節、GSJ型套管伸縮節、自調式套管伸縮節三種。N-H型系列無推力伸縮節適用于直埋、地溝、架空敷設管段上，適用介質溫度t 450 ，適用壓力 ，補償量為200mm～400mm；GSJ型套管伸縮節適用介質溫度40～400 ，適用壓力 ，補償量單節為200mm，雙節為400mm；自調式套管伸縮節的特點是采用壓緊彈簧自動壓緊伸縮部分的密封材料，適用介質溫度t 350 ，適用壓力等級有1.6MPa和2.5MPa兩個等級，補償量為200mm～400mm。波形伸縮節的機構型式主要有三大類：軸向型、橫向型以及角向型，最大補償量在200mm以下，能夠適應一定的角度偏移。球形伸縮節必須成對使用，用介質溫度t 300 ，適用壓力 ，全折屈角 ?？汕鷶_橡膠伸縮節采用多層次連線結構，能同時伸長壓縮和偏轉位移，能適應溫度變形與基礎沉降，適用介質溫度t -20 ～100 ，適用壓力，補償量為25mm以下。卡箍式柔性伸縮接頭適用于多種介質，是各類傳統柔性伸縮接頭的替代品，用介質溫度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，補償量在40mm以下。以上所述各種伸縮節除卡箍式柔性伸縮接頭與鋼管采用焊接連接外，其它伸縮節均采用法蘭連接。

根據實際工程經驗，在尾礦管道輸送工程中常用的伸縮節主要有鋼制套管式伸縮節、波形伸縮節、可曲擾橡膠伸縮節、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均可適用于各種不同的尾礦管材。為了進一步從實際應用上進行分析，根據表1計算的各種不同管材的溫度伸縮量和各種類型伸縮節的補償量，對100m長不同管材在通常情況所需伸縮節數量進行計算，其中鋼制套管式伸縮節補償量按200mm計，波形伸縮節補償量按100mm計，可曲擾橡膠伸縮節補償量按15mm計，卡箍式柔性伸縮接頭補償量按20mm計，計算中考慮1.5的安全系數，計算結果見表2。

表2 100m長不同管材所需伸縮節計算結果

根據表2計算結果，可曲擾橡膠伸縮節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經濟性較差。波形伸縮節在100m長HDPE管中用量也超過10個，在實際工程中使用經濟性也不太合理。

根據上述分析，對不同的尾礦輸送管材與包括自然補償的各種溫度補償方式的適應性進行分析匯總，匯總結果見表3。

表3 不同管材與各種溫度補償方式適應性分析結果

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償方式。

4 結語

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償方式的適應性分析，得出如下主要結論：

（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與波形伸縮節進行溫度補償，在局部非直線段，角度偏轉較大時可選用可曲擾橡膠伸縮節，經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，可根據管道敷設方式優先采用管道自然補償方式，當需要對管道兩端進行固定時，可采用套管式伸縮節對管段進行溫度補償。

本文僅針對不同管材的溫度補償進行了粗略分析，有些問題尚需進一步深入研究，方能更好的指導工程實踐。