長距離礦漿管道試壓施工工藝研究

鐘彪

（攀鋼集團工程技術有限公司，四川 攀枝花 617000）

攀枝花新白馬礦業白馬鐵礦精礦管道輸送工程，南起白馬，北至西昌。其間多次穿越河流、山地、農田，全線穿越河流30次，全長97.25km，年輸送量300萬噸鐵精礦；管道采用材質為API-5L X65管線鋼，外徑為273mm；管道依地形鋪設，最低海拔1450m，最高海拔1770m；管道壁厚度隨壓力沿管線全長變化，范圍從14.27～7.8mm，設計使用年限20年。目前國內還沒有礦漿長輸管道相關施工及驗收規范,針對多次跨越高山、河流、歷經高海拔、大落差等復雜地理條件下的高壓長距離礦漿輸送管道的試壓，對我們來說是一項巨大的挑戰工程。

1 工藝難點

管道按設計只設置首尾兩個出口，人員無法進入，管道內遺留的施工垃圾和積水依靠常規的空氣吹掃很難清出。管道穿越高山、河流、農田，依地勢鋪設，部分試壓段呈W、U型，海拔高低差達300m，且管道除首尾兩個排氣孔外，不允許開孔，管內的氣體全部排出并注滿水成為管道試壓成功的關鍵。管道試驗壓力在21.5～35.54MPa，其間穿越村莊、公路、鐵路，在試壓過程中要保證這些區域人員、車輛、道路、橋梁的安全。

2 研究內容

2.1 確定試壓管路

根據管道的厚度及運行時的壓力，結合水源情況，將97.25km的管道分成7段進行試壓，最短段4.9km,最長段24km，測試壓力21.5～35.54MPa。第1段：試壓區間PI點：PI0～167、注水點：PI0、試驗壓力35.54MPa、距離：13km；第2段：試壓區間PI點：PI167～555、注水點：PI555、試驗壓力30.5MPa、距離：14km；第3段：試壓區間PI點：PI555～723、注水點：PI555、試驗壓力21.5MPa、距離：6.4km；第4段：試壓區間PI點：PI723～762、注水點：PI762、試驗壓力24.5MPa、距離：4.9km；第5段：試壓區間PI點：PI762～939、注水點：PI762、試驗壓力22.65MPa、距離：24km；第6段：試壓區間PI點：PI939～987、注水點：PI987、試驗壓力22.65MPa、距離：14km；第7段：試壓區間PI點：PI987～1156、注水點：PI1156、試驗壓力21.5MPa、距離：21km。

2.2 試壓工藝流程

確定試壓管路→水源及水量確定→試壓準備工作→管道清掃→管道測徑→拆卸淸掃裝置→焊接試壓盲板→探傷→注水→試壓。

2.3 試壓設備研究

（1）清掃設備。管道內遺留的施工垃圾和積水依靠常規的空氣吹掃無法將其清出，采用清掃球進行吹掃可保證管道內部的清潔。①清掃球的選擇。管道內徑根據各段海拔高程不同，管壁厚度也有所變化，其內徑范圍在Φ244.46～Φ257.4mm之間；清掃球在管道內部運動時，必須與管道內壁密封，因此球在徑向應有一定的型變量。確定清掃球的具體參數：速度1～2.5m/s；耐壓強度9MPa；起動壓差0.16MPa；通過彎度≥1.6d，一次最大清洗距離100km；收縮膨脹系數為0.95～1.1。清掃球選用了兩種，首次采用比較柔軟的聚氨酯泡沫清掃球，管道內雜物較多時通過性好；二次或首次發生卡阻時，采用皮碗式清掃球。②空壓機的確定。清掃球在管道中的運動壓差為0.16MPa，球的最快設計速度為2.5m/s，需要空壓機輸氣量為0.3189m3/s，即19.13m3/min，采用額定壓力2.5MPa、流量20m3/min的空壓機。③發球裝置制作。由于清掃球的外徑大于管道內徑，直接利用外力將球放入管道內十分困難，往往將球損壞，采用變徑管發射筒，在球的后部由壓縮空氣產生一個均勻的壓力作用在橡膠球的后端，使得球尾端均勻受力，輕松將球發射入管內。按空壓機的最大輸出壓力的1.5倍作為該壓力容器的額定壓力。采用壁厚大于5.22mm的鋼管、盲板厚度≥38mm鋼板。④收球裝置制作。收球筒和發球筒的制作基本相同,不同點是加一個與直管段斜向下400的歧管作為排料。

（2）測徑裝置研究。在通徑專用球上加裝厚為8mm的測徑鋁板，外徑按Φ=（Dmin-2H）×95%計算。Φ——測徑板外徑(mm)；Dmin——管道最小通徑(mm)；H——焊縫余高(mm)。管道測徑板分兩種，一種為開口式，用于首次測徑；另一種為整體式，用于測徑最終評判。

（3）注水-升壓裝置研究。管道落差達300m，如果直接注水管內將有大量的空氣不能排出，造成升壓緩慢或失敗。采用大流量水泵向管道內注水，推動兩個聚氨酯泡沫清掃球向前運動排除球前端空氣，當球到達尾部收球裝置時管內空氣全部被球排除管外，注水后球不取出，然后連接試壓泵試壓。如圖1所示，①注水泵選擇：根據各試壓段的最大海拔高度差、注水點位置、發電機等進行選擇。②升壓泵選擇：考慮到水的壓縮比及管道內空氣等因素選用流量為1200L/h的升壓泵。③頭部注水-升壓裝置。

圖1 注水-升壓裝置示意圖

采用16Mn無縫鋼管Φ273×14mm制作，頭部焊接14mm厚橢圓管帽。Φ273×14mm直管段上焊接9根Φ60mm×16mm×200mm歧 管， 用 于 連 接 DN50、40MPa球閥。4根Φ30×12mm×200mm歧管用于連接DN20、40MPa球閥、壓力表、溫度傳感器、試壓泵和記錄儀。9根歧管通過DN50、40MPa球閥與注水管相聯。注水管道采用20#鋼無縫鋼管Φ159×4.5mm和900彎頭制作，上端安裝排氣閥，中間連接流量計。強度計算按35.5MPa的1.1倍，焊縫等級Ⅰ級。

（4）尾部注水-升壓裝置。前段為一段Φ273×14mm，通過一根16Mn材質的14mm厚鑄鋼變徑管（DN250～DN300）與后段16Mn材質的Φ325×12.5mm無縫鋼管相連；后段Φ325×12.5mm焊接4根歧管；其中2根Φ40×12mm×200mm歧管用于連接DN25、40MPa球閥，2根Φ30×12mm×200mm歧管用于連接壓力表和溫度計；出水管道采用Φ159×4.5mm和900彎頭制作，上端安裝排氣閥中間連接流量計。

（5）其余主要設備：發射機、接收機、記錄儀、壓力表、發電機組、檢測設備等。

2.4 管道清掃

把清掃球放入發射裝置內，啟動空氣壓縮機調壓至0.16MPa，沿管線利用信號接收機跟蹤清掃球是否動作，記錄進氣點處壓力。當發送第一個清掃球到達終點后，再發送第二個清掃球。每個清掃球攜帶低頻信號發射儀,電子清管器定位接收儀確定清掃球位置。以白布擦拭管道內壁，目測白布干凈為合格。

2.5 管道測徑

管道清掃合格后，為檢驗管道焊接質量以及在施工過程中管道的錯邊量和管道變形情況，須對管道進行通徑，通徑測試設備與管道清掃不同。首次測徑采用開口式測徑板，最終測徑采用整體式測徑板。測徑后將測徑板取下，在白紙上用鉛筆沿盤子邊緣畫出其正視圖橫截面投影，以不小于原板面積95%為合格。

2.6 管道注水、試壓

（1）管道注水-升壓設備可將注水、試壓一次性完成。

（2）注水。打開首尾部排氣閥門，啟動水泵保持連續注水，尾部排氣閥有水噴出時，可繼續充水一段時間，該過程要嚴密監控首尾兩個流量計，保證進水和出水流量基本一致，待沒有氣體排出后，完成注水。

（3）升壓試驗。①注水完畢、關閉閥門、連接試壓泵，開始試壓。同時，啟動所有檢測儀器、儀表設備進行測試。②升壓速度不超過0.2MPa/min，至測試壓力75%、90%時，保壓30min，最后升壓到測試壓力。③完成升壓、關閉所有管件接頭后，開始壓力保持，對壓力、溫度變化應連續記錄。④水壓試驗合格的判定：穩壓開始時為第一時間點，每小時記錄一次壓力和水溫，到第八個小時為止，按照1m3水溫度上升一度，壓力大約增加1kPa。⑤管道卸載：管道內試壓水排放，以不超過0.3MPa/min的速率緩慢釋放壓力，直至壓力為零。

3 實施效果

形成了一套完整的針對長距離礦漿管道的試壓裝備和施工工藝，并在白馬鐵精礦管道輸送工程中得到了成功的應用，試壓工期比原計劃提前15天，提高了試壓的安全性，取得了很好的效果；總結研究成果，獲得了發明專利1項，實用新型專利2項。