高壓水射流技術在武山銅礦管路除垢中的應用

鄺志華

（江西銅業集團有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦井下N-460m泵站2路排水管路受工況條件影響，均有不同程度的積垢，導致排水效率降低、電耗增加。采用傳統的通球清理法，現場條件難以滿足，施工安全系數低，對井下礦山排水安全影響較大。若采用更換排水管道的方法，不僅大大地縮短了管路的服務年限，也增加了鋪設新管路的費用［2］。本文結合該泵站排水管路的管道長度、安裝結構、空間位置和結垢狀況，提出了高壓水射流技術在武山銅礦排水管路除垢中的應用措施。

2 高壓水射流技術的工作原理

高壓水射流技術是以水為介質，通過高壓水發生裝置形成高壓，再經過特制的噴頭噴射出能量集中、速度很高的水射流，連續不斷地作用在被清洗表面，從而使垢物脫落，達到清洗目的。高壓水射流清洗裝置主要由高壓泵或增壓器、動力部分、調節閥、連接管、噴頭及工作附件等組成［3-4］。

3 高壓水射流技術除垢應用難點

N-460m泵站是武山銅礦二期技改后新建泵站。泵站內共有6臺水泵，各自通過分支管路與2路主排水管路相連，2路主排水管路沿斜管道進入豎井與原N-310m泵站主排水管路連接，豎井內-310m中段以上主排水管路，是通過改造繼續延用原N-310m泵站和N-160m泵站2路主排水管路。采用高壓水射流技術清理該泵站排水管路，存在以下主要難點。

（1）N-460m泵站承擔著北礦帶排水重任，排水管路距離長，垂直距離達534m，一次性清洗難度大，且清洗期間不能影響泵站正常排水。

（2）管路內壁結垢清淤排污方式的確定。泵站排水管路內壁結垢較多，加之高壓清洗設備清洗用水，排污量大，污泥處理是關鍵因素之一。

（3）不同管段結垢硬度、厚度不一，主要為硫酸鹽和硅酸鹽等均質結垢物，質地堅硬。排水管路自投入使用后從未進行過結垢清洗，清洗設備壓力等級及噴頭的選擇。

（4）管路過流斷面形狀不規則。井筒內排水管路存在變徑情況，且N-460m泵站內排水環形管網有較多彎頭，過流斷面形狀不規則將會嚴重影響噴頭的通行。

（5）清洗設備轉場及運行條件苛刻。受井下作業現場條件和空間限制，起吊轉運大型設備程序繁瑣、費時費力，且-310m以上中段為非生產中段，清理設備進場困難。

（6）高壓水管清洗范圍受牽引力的制約。井筒作業平臺空間較小，最多只能允許2名操作人員同時牽引高壓水管作業，受高壓水管自重影響，清洗范圍越大，所需的牽引力越大，超過某一范圍后，將很難保證清洗作業，且不利于井筒高空作業安全。

4 解決措施及除垢工藝

4.1 解決措施

針對實際應用中存在的難點，通過以下措施及做清洗試驗予以解決：

（1）對井筒內排水管路進行開孔（如圖1所示）實施分段清洗，并設計制作密封短管（如圖2所示）對開孔進行密封。完成開孔后將預先制作好的不銹鋼短管（一端為斜口，另一端焊接法蘭）斜口套在開孔處，短管安裝方向應向上與排水管成45°角（方便高壓水管下放），短管安放到位后再進行焊接。

圖1 管路開孔示意圖

圖2 密封短管示意圖

（2）開孔尺寸及開孔間距：排水管路采用273×10不銹鋼無縫鋼管，根據管路壓力等級要求，選定開孔尺寸為DN150。清洗過程中需要操作人員反復牽引高壓清洗管路。1m清洗管路實際重量為0.6kg。50m管路重量30kg,100m管路重量為60kg。通過人員操作試驗對比，選定開孔間距定為50～80m。

（3）排污方式：對于井筒管路及泵站內環形管路可分別采用在井筒垂直管路底部（如圖3所示）和泵站內環形管路末端開孔設置集中排污孔（如圖4所示），并安裝密封短管，安裝方向應向下與排水管成45°角；對于水泵分支管路，可拆卸止回閥邊蓋，利用止回閥邊蓋檢修口作為排污孔（如圖5所示）。設計制作集污裝置將清洗出的結垢與污水一起引入泵站沉淀池處理，完成每段清洗后使用盲板和密封墊對排污孔進行密封處理。

圖3 井筒管路排污孔示意圖

圖4 泵站環形管路排污孔示意圖

圖5 水泵分支管路排污孔示意圖

（4）清洗設備壓力等級及噴頭的選擇。高壓水射流清洗的效果主要與水壓、流量以及噴嘴直徑有關。而壓力、流量及噴嘴直徑可根據小孔出流基本理論［5］，計算得出

式中，d為噴嘴直徑，mm；Po 工作壓力，MPa； Q為工作流量，L/min；φ為流量系數。

①通過做清洗試驗，選擇了兩種壓力的清洗機，對試驗管路的結垢進行了除垢，其中，15MPa的壓力清洗機無法將管壁結垢清理干凈；采用壓力等級為30MPa的清洗機滿足了清洗要求。最后，選擇了壓力等級為30MPa的清洗機進行管路的除垢。

②針對結垢厚，過流斷面形狀不規則的情況，應采用合適直徑的旋轉式噴頭，與定噴頭相比，旋轉噴頭水流覆蓋面增大，分布更均勻，清洗效果更好［6］。在清洗試驗過程中，清洗人員先采用了小尺寸固定式噴頭，該噴頭在使用過程中多次出現卡住的情況，后改用旋轉式噴頭有效地解決了噴頭卡住的問題。

（5）合理選擇清洗設備布設點及清洗順序 。考慮到清洗機的有效清洗范圍及轉運條件，最終選定將清洗設備先后布設在-310m中段、-160m中段、+74m進行井筒管路清理，最后布設在-460m中段進行泵站環形管網、斜坡管路以及水泵支路管路清理（如圖6所示）。使所有管路都在清洗機的有效清洗范圍之內，轉運次數最少，而且這四個中段都有起吊設施及配套電源，能滿足清洗設備的起吊轉運及運行條件。

圖6 清洗機布設點、管路開孔位置及排污孔位置示意圖

4.2 除垢流程

4.2.1 豎井主排水管路除垢

圖7 豎井管路清理工藝流程圖

按自上而下單路分段清理豎井內主排水管路內壁結垢。清理一路主排水管路時，關閉該管路主排水閘閥，另外一路管路可安排正常井下排水。清理時，拆卸高壓清洗機噴頭入口和排污孔盲板及密封墊，將高壓軟管和噴頭投放至清理位置，啟動高壓清洗機，調整壓力并觀察排污孔出泥濃度和顆粒大小情況。清洗順序：以-310m中段為例，采用自上而下的清理順序，-310m中段至-410m中段，-260m中段至-310m中段，工藝流程（如圖7所示）。

4.2.2 斜管道與泵站內主排水管除垢

清理時，拆卸斜管路上端開孔和泵站內主排水管路末端盲板，將高壓清洗機高壓軟管牽引至泵站內主排水管路末端，連接噴頭，并預留清理行進長度。將噴頭伸進主排水管路中，啟動高壓清洗機，通過螺旋噴頭自行前進，往返清理泵站內主排水管。停機后，再將噴頭從斜管路上端開孔伸入，進行清理。斜管道與泵站內主排水管全部從泵站內主排水管路末端排出。

4.2.3 水泵分支管除垢

打開水泵止回閥邊蓋，將噴頭伸進分支與主排水管路連接處，啟動高壓清洗機，往返拽動高壓軟管，使結垢脫落。

5 清理效果

高壓水射流清理效率高，清理效果好，可見管路金屬本色，且不會造成管路基體損傷［7］。清理前、后管道結垢對比如圖8所示。

圖8 清洗效果對比圖

6 結束語

高壓水射流技術在武山銅礦管路除垢中的成功應用，有效地解決了該礦井下排水管路結垢嚴重的問題，極大地提高了管路排水效率，顯著降低管道阻力，提高排水效率，確保了排水系統的安全運行，為礦山帶來了十分明顯的經濟效益和社會效益，也為其他條件類似的井下礦山排水管路結垢清理提供了有效的借鑒。