漿體管道安全輸送技術研究現狀與發展趨勢*

張 杰，曾 云

(1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備技術四川省科技資源共享服務平臺，四川 成都 610500；3.石油天然氣裝備教育部重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500)

1 漿體管道輸送技術特點與發展現狀

1.1 漿體管道輸送技術特點

管道運輸已成為繼鐵路、公路、航空、水運之后的第五大運輸方式[1]。其中，長距離漿體管道輸送是一種高效、節能、環保的運輸方式，已被廣泛應用于磷、硫、高嶺土、鋁礬土、石灰石等礦物以及水泥、泥沙等的漿體輸送。經過近60年的發展，我國已建成甕福磷精礦、大峪口磷精礦等礦漿管道輸送工程。

漿體管道輸送技術的主要特點為[2-3]：①在大規模長途運輸中，成本相對于其他運輸方式更低；②運輸效率高；③設備自動化程度高，維修和管理更加方便；④噪音低、振幅小、無揚塵且不受周圍地形和天氣的影響；⑤相比于公路和鐵路，建設周期更短；⑥輸送物料粒度受到一定限制；⑦制備漿體需要大量水；⑧鋪設管道會提高成本；⑨只能單向運輸。

1.2 漿體管道輸送系統

漿體管道輸送系統可分為前處理系統、輸送系統、后處理系統[4]。前處理系統負責前期物料磨碎、漿體制備等。漿體制備是前處理系統中的重要環節，主要制備合適濃度的漿體，其濃度、酸堿度、物料粒度等需要嚴格控制，主要包括破碎設備、磨碎設備、篩選設備、漿體濃縮設備、貯存漿體設備等。輸送系統主要由管道和漿體泵組成，用以確保物料能夠在長途運輸中保持良好穩定的輸送效率，其可靠性和穩定性關系到生產安全和經濟效益。后處理系統主要將送達的物料進行后處理，如沉淀、濃縮、過濾、脫水、干燥等，使物料達到使用要求，同時脫水后的廢水因存在大量懸浮物和物料殘渣，且酸堿度很高，需經過濾和凈化達標后方可排放。

1.3 國內外發展現狀

管道運輸首先由美國的Walath·C·Andlus[1]在實驗室試驗成功，并且獲得專利權。19世紀40年代末美國鐵路運煤價格暴漲，由此促使建成了第一條長距離運煤管道。之后運行實踐表明，該管道運輸在技術和經濟上都取得了很大成功。20世紀50年代末，為供愛迪生公司電廠用煤，一條橫貫科羅拉多大峽谷的運輸管道開始修建。隨后，澳大利亞在薩瓦齊河修建了一條用于輸送鐵精礦的管道，開啟了鐵精礦輸送新時代，之后管道輸送技術得到了快速發展。1977年巴西建成了世界上規模最大的鐵精礦輸送管道——薩馬科鐵礦輸送管道，其長達397 km，管徑508 mm，年輸送量達1 200萬t。2011年中冶瑞木在巴布亞新幾內亞建設了長135 km、管徑630 mm、運輸能力380萬t/a的紅土鎳礦漿體管道。2014年中信泰富在澳大利亞建設了長30 km、管徑813 mm、運輸能力3 300萬t/a的鐵精礦漿體管道。

我國漿體管道輸送技術最初應用于尾砂漿體輸送，20世紀50年代為漿體管道輸送的啟蒙階段，20世紀70-80年代砂泵研制成功，隨后建立了多個漿體管道實驗中心，建設了多條長距離管道工程；20世紀80-90年代，我國開展了一系列漿體管道研究工作，且取得了實質性進展，漿體管道從準備階段正式邁入實際應用階段。1995年，貴州甕福磷礦建設了長46.7 km、管徑210 mm、運輸能力200萬t/a的磷精礦漿體管道，這是我國第一條長距離礦漿管道。1997年，太鋼尖山鐵礦建設了長102.3 km、管徑229.7 mm、運輸能力200萬t/a的鐵精礦漿體管道；鞍鋼調軍臺選礦廠建設了長22 km、管徑225 mm、運輸能力302萬t/a的鐵精礦漿體管道。2006年，貴州開陽磷礦建設了長17 km、管徑219.1 mm、運輸能力230萬t/a的磷精礦漿體管道。2007年，大紅山鐵礦建設了長171 km、管徑244.5 mm、運輸能力230萬t/a的鐵精礦漿體管道，其長度居全國首位，最高海拔和揚送高差分別達到2 182 m和1 512 m。2010年，包鋼白云鄂博鐵礦建設了長145 km、管徑355 mm、運輸能力550萬t/a的鐵精礦漿體管道。2011年，昆鋼包子鋪鐵礦建設了長11 km、管徑50 mm、運輸能力168.3萬t/a的鐵精礦漿體管道。2012年，攀鋼白馬鐵礦建設了長95 km、管徑273 mm、運輸能力300萬t/a的鐵精礦漿體管道。2013年，貴州甕福磷礦擴建了一條長46.7 km、管徑210 mm、運輸能力520萬t/a的磷精礦漿體管道；太鋼袁家村鐵礦建設了長18 km、管徑406.4 mm、運輸能力740萬t/a的鐵精礦漿體管道；寶鋼梅山鐵礦在其山景尾礦庫建設了長38 km、管徑245 mm(無縫鋼管內襯氧化鋁陶瓷)、運輸能力65萬t/a的鐵尾礦漿體管道。2018年，陜煤建設的輸煤管道長達727 km，年輸煤能力達1 000萬t，是世界上最長的輸煤管道，也是亞洲第一條長距離輸煤管道[5]。

2 管道結構安全研究現狀

與常規油氣管道相比，漿體管道的輸送介質更復雜、服役環境更嚴苛。除了管體及焊縫材料缺陷導致失效外，腐蝕、沖蝕磨損、截面失穩、屈曲變形、振動破壞已成為礦物漿體管道服役安全的主要失效模式[6-8]。特別是在用高壓輸送的高濃度料漿大口徑管道投入運行后，亟需開展漿體管道服役損傷演變機制與安全評價等基礎研究。

漿體管道結構完整性面臨的主要難題有：

a.輸送介質復雜，管道腐蝕和沖蝕磨損嚴重導致承載能力低、服役壽命短。特別是管道內外壁腐蝕形貌復雜、沖蝕部位預測難度大，亟需提出更為精準的管道腐蝕與沖蝕磨損評價方法。

b.漿體管道穿越區域地質條件復雜，易受外部載荷影響，其承受的載荷復雜多變，管道截面易發生失穩導致漿體泄漏事故。

c.地質災害、第三方作業等易造成地層變形進而引發埋地漿體管道發生屈曲變形甚至斷裂，亟需針對各種工況提出精準的管道失效評價方法。

d.漿體輸送站管路系統復雜，起停泵、非均質流等導致管道系統穩定性差，易發生振動失效，缺乏相關理論模型。

2.1 管道沖蝕磨損

影響漿體管道沖蝕磨損的主要因素包括顆粒濃度、撞擊速度和角度，顆粒形狀、硬度和直徑及管壁硬度與強度等。通過大量試驗研究，基于表面延展性壁面變化的沖蝕理論逐漸被接受，其認為單個顆粒撞擊壁面產生的塑性變形是有限的，但是當顆粒數量增多時會增大塑性變形程度。首個對塑性材料進行規范性總結的沖蝕理論是FINNIE[9]于1958年提出的微切削理論：當固體顆粒撞擊金屬表面時，撞擊造成凹陷并在其周圍形成堆積體，其被后來的顆粒撞斷并離開金屬表面；當顆粒撞擊金屬表面的撞擊角度較小時，顆粒主要表現為對金屬的切削作用。該理論比較完整地闡述了金屬表面的質量損失與顆粒撞擊角度和速度之間的關系，但當加大顆粒撞擊角度時，金屬表面損失質量比試驗值要小。1963年，BITTER[10]認為在沖蝕過程中，金屬表面不僅發生了切削磨損，還有變形磨損；他認為當顆粒多次撞擊同一個地方時，不僅會擴大凹陷面積，還會造成凹陷表面硬化，表面硬化意味著抗沖蝕性能增強；當顆粒動能較小時，金屬表面只存在彈性變形，隨著顆粒動能的增大，金屬表面不僅發生彈性變形還存在塑性變形。LEVY[11]在1986年分析了金屬表面沖蝕磨損的動態變化過程，發現金屬表面在顆粒的多次撞擊下，形成微小片狀碎屑并逐漸脫落。

現有的沖蝕磨損模型是基于不同工況和試驗對象表面材料建立的，選用沖蝕磨損計算模型時要選擇適合的工況和研究對象。如Finnie切削磨損模型[12]適用于小角度顆粒沖蝕磨損，當用其計算大角度顆粒沖蝕磨損時存在局限性；基于多種因素影響下名義沖蝕速率的Oka沖蝕磨損模型[13-14]研究對象為氣固兩相流動對水平板的沖蝕速率；Ahlert沖蝕磨損模型[15]是基于AISI1018鋼材建立的；E/CRC沖蝕磨損模型[16-17]由Tulsa大學根據多組基于碳鋼材料的直接撞擊試驗提出的，且考慮了顆粒硬度與顆粒形狀；DNV沖蝕磨損模型[18]是挪威船級社(DNV)結合試驗結果和數值計算結果提出的，適用于直管、彎管、三通管、焊接接頭和變徑管的沖蝕磨損計算；Menguturk and Sverdrup沖蝕磨損模型是以粉塵在鋼管中運動為工況開展沖蝕磨損試驗而提出的；Huang沖蝕磨損模型是在考慮了壁面變形與微切削的情況下提出的單顆粒碰撞磨損模型；Hashish 沖蝕模型是在考慮壁面變形與微切削的情況下提出的。

目前關于液固兩相流沖蝕試驗研究還不充分，相關數值計算結果并沒有形成統一結論。在特定工況下的沖蝕磨損理論預測中，對于流動中顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的耦合作用機理還需進一步探索。

2.2 管道腐蝕評價

腐蝕是漿體管道最常見的失效形式之一，常用的管道腐蝕剩余強度評價方法有ASME B31G-2009、DNV-RP-F101、PCORRC和API 579-1。其中ASME B31G-2009[19-20]在其原有評價基礎上修正了流變應力和膨脹系數，使評價結果更加準確，適用于強度等級較低的鋼管缺陷評價，但不能滿足高級鋼、大口徑管道剩余強度的評價需要；DNV-RP-F101[18-21]適用于在極限拉伸強度狀態下的鋼管缺陷評價，但不適用于高鋼級管道及缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷評價；PCORRC[22]適用于中高強度等級管道的剩余強度評價，其標準為極限拉伸強度，主要用于孤立缺陷評價；基于AMSE標準的API579-1考慮了相鄰缺陷的相互影響和附加載荷的影響，但是評價方法過于復雜。

管道缺陷檢測技術主要有PCM法、漏磁法、超聲波等。PCM[23]又稱“多頻管中流電法”，可用于評估未開挖狀態下埋地管道防腐層的腐蝕情況，其基本原理是將信號發生器的信號線與管道連接，由PCM發射機向管道發送多種特定頻率信號電流，PCM接收機能準確地檢測到經管道傳送的這種特殊頻率信號電流，并連續測繪出管道上各處電流強度；管道防腐層良好時接收到的電流信號強，反之則電流信號弱。漏磁檢測技術是通過磁場變化檢測出金屬管道防腐層損失缺陷，準確識別出各管道異常區域，缺陷區管道磁場流動方向會發生異常，從而獲得管道腐蝕層異常區域；該技術不但檢測速度快且基本不受外界干擾，適合長距離管道快速檢測。超聲波的檢測技術主要分為兩種：電磁超聲檢測技術和壓電超聲檢測技術。電磁超聲檢測技術會根據管道防腐層厚度產生不同聲波信號，接收裝置接收信號并根據產生的聲波判斷測試件內是否有缺陷；壓電超聲檢測技術是對被測管道發射出超聲波信號后，在測試件的傳播路徑中會產生不同的信號，接收器根據聲波傳播路徑接收到的不同信號對管道腐蝕情況進行判斷。

2.3 地質災害

埋地敷設的漿體管道受地層影響較大，特別是跨越地質條件比較復雜的區域，極易受到各種地質災害威脅而發生變形、斷裂，導致漿體泄漏。我國地域遼闊且地質條件復雜，如西部地區易出現滑坡、泥石流、風蝕沙埋、鹽漬土、地震斷層、沖溝等；中部地區易出現滑坡、泥石流、洪水、塌陷、斷層等；西南地區易出現崩塌、滑坡、泥石流、塌陷、斷層等[24]；東部地區易出現地面沉降、地裂縫、塌陷、洪水等。

地震災害對管道破壞的原因可分為兩種[25]：①斷層等地面永久變形造成管道發生較大位移，導致其破裂或斷裂失效，危害性極大；②地震波動對管道造成的破壞相對較小。地震斷層運動作用下管道破壞形式主要有拉伸失效、局部屈曲失效和梁式彎曲失效，管道接口破壞失效，三通、彎頭、閘閥等組件連接處破壞。

當管道在滑坡體中下部時，因承受滑坡體的巨大拖拽力而發生彎曲、拉裂等[26]；當管道在滑坡體中上部時易出現懸空或拉斷。因而，針對易滑坡段可采取適當加固措施，并修筑截、排、導水系統等。

落石是山區常發生的一種自然災害，具有分布范圍廣、發生突然、發生頻率高、難以預防等特點。高程差較大的區域，落石沖擊管道或其上方覆土產生巨大瞬時沖擊載荷，會引起管道變形失穩甚至破裂泄漏[27]。

人為和自然地質作用下地表巖土向下陷落形成塌陷坑，特別是地下水抽取、滲水、振動、超載、采空等極易引發地面塌陷，造成管道彎曲變形、懸空或斷裂[24]。我國長三角、廣東、福建等地區的軟土承載能力弱、孔隙比大、壓縮性強、靈敏度高、易受擾動，當地面出現超載時，地表沉降量大，持續時間長，會危及管道安全[28]。

由于回填土和地基屬于多相松散體，具有高壓縮性、黏彈塑性、抵抗剪切性等特點，以及管土耦合作用、圍土變形存在不確定性，使得管道力學研究較為困難，工程中通常采用簡化模型來分析管道相互作用[29]。

目前，針對埋地管道研究中的管土模型主要有3種：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型[30]。彈性地基梁模型屬于靜力模型，將管道假定為梁，管道圍土均勻分布，其簡單易算，被工程界廣泛采用[31]；土彈簧模型中，圍土被簡化為一系列等效彈塑性彈簧，彈簧剛度和自由度由土壤性質和變形方式決定，該模型不能模擬非線性管土接觸及摩擦[29]；將理論分析和數值手段相結合建立非線性接觸模型并考慮管土耦合，是一種比較合理的解決方案[29]。

2.4 第三方活動

我國近年來地面建設活動頻繁，第三方施工如打樁、強夯和挖掘等時，對管道定位不清，或沒有按照法律法規要求施工將嚴重威脅管道安全運行。如：莊稼地下的管道可能會受到農忙季節的機械作業和人工耕作影響而發生破壞；下穿公路的管道，如果路面超載將使管道受壓變形。

針對第三方活動造成的管道破壞，可通過監測振動信號、采集現場圖像等手段確定第三方破壞類型，并對破壞點進行定位和維護。目前常用的管道監測方式有光纖、聲波、地震檢波器等[32]。光纖傳感技術可對管道振動進行監測，在其未發生破壞時提前預警，但光纖易受到土壤環境的影響；聲波監測技術主要通過在管內外壁安裝高靈敏傳感器監測振動信號；地震波傳感技術主要通過在管道沿線設置多個地震傳感器采集周界地震波信號，經過處理、特征提取和模式識別進而確定振動誘因。隨著遙感及圖像處理技術的發展，無人機巡檢技術得到了廣泛應用，巡檢效率得到了極大提高。

3 漿體管道輸送技術研究現狀

3.1 漿體管道摩阻損失

摩阻損失是漿體管道重要的設計參數之一，直接決定了輸送系統加壓泵站大小和數量，如果計算值偏大會造成浪費，偏小則會使生產運行不可靠[33]。固液兩相流的摩阻損失計算較為復雜，主要涉及漿體顆粒形狀、粒度，漿體濃度、流速、黏度，管壁材料、粗糙度、管徑、鋪設斜度等。特別是管內漿體一般屬于非均質流，大粒徑顆粒懸浮需要能量大且會和其他顆粒產生碰撞導致摩阻損失。大粒徑在運動過程中會產生上舉力，使懸浮更容易；小粒徑能在一定程度上減少摩阻損失，但會導致漿體黏度變大。

許多研究采用模擬試驗，結合經驗公式，比較分析得到摩阻計算公式，如：Durand公式利用天然砂進行試驗得到了摩阻計算公式；Newitt模型認為除了水和管道壁會產生摩擦外，固體顆粒也會和管道壁產生摩擦從而造成摩阻損失；Wilson基于力平衡理論提出了顆粒漿體的兩層模型；白曉寧等[34]基于大量數據分析提出了漿體阻力損失計算模型；許振良[35]提出用清水代替漿體研究水平管道的摩阻損失；孫琪[36]基于兩層理論從動量交換角度出發，采用等效模型，提出了伴隨滑動床粗煤漿體摩阻損失的計算模型。

3.2 輸送不穩定性

正常情況下漿體管道的全部管段都應該是滿管填充狀態，但管道在翻越陡坡或傾斜敷設時，液體在到達峰值點后還會繼續流動，導致垂直方向上管道出現不滿流現象。該現象會引發水擊、負壓、氣蝕等問題。不滿流往往存在于翻越點(將液體輸送至某一峰值點所需壓力比輸送至終點壓力大時的點)前后管段內，找到翻越點即能夠找到不滿流分布情況。

管道形成不滿流時，空穴管段前后的壓強不同，空穴之后的壓強小于大氣壓強而形成負壓，由于液體的連續性導致負壓現象會向后傳遞；管道長期處于負壓狀態會導致運行不穩定，同時負壓也是導致水錘現象的主要原因。實際運行中應避免長期負壓運行，通過傳感器測定負壓波傳導時間可定位管道泄漏點。

水擊現象又稱水錘現象，是管道內液體流速和壓強突然變化所致。對于漿體管道在地勢變化較大的地段，管道內液體流速、加速度、壓強都會發生驟變，從而產生水錘現象。而水錘現象分為無水柱分離水錘和斷流彌合水錘[37]，前者的形成不會出現斷流，而后者因為在管道峰點處由于閥門關閉導致部分液體無法回流從而形成空穴，而再次開啟閥門時兩股水流會發生劇烈沖擊。水錘現象會引起管道振動，嚴重影響管道系統中其他設備的運行，甚至導致閥門失靈、管道破裂等事故。

管道不滿流經常會伴隨氣蝕現象發生，因為液體在高速環境下或者壓力變化的條件下長期與金屬接觸，導致金屬表面出現類似腐蝕的空洞侵蝕現象。不滿流管道中，當出現水錘現象時流體瞬間速度和壓力變化非常大，管道內壁在長期磨損中會逐漸出現氣蝕現象。

3.3 臨界速度

漿體管道中固體和液體之間存在能量轉化等復雜作用，許多學者通過研究得到了一些計算模型，但基本都是建立在特定工況下。臨界速度為漿體管道設計的重要參數，學者對于其定義也不完全相同。如：K?KPINAR等[38]提出了一種預測水平漿體管道臨界速度的經驗公式，討論了固體顆粒濃度對沉降速度的影響；DORON等[39]通過小規模試驗確定了大顆粒物理特性對水平管道輸送的影響，用不同尺寸和密度的氧化鋁和玻璃校準球進行了模擬試驗，認為當混合速度小于臨界速度時，會出現靜止床層流動狀態，該層上方出現致密球層，壓降慢慢下降，當混合速度大于臨界速度時，粒子開始處于懸浮狀態，在臨界速度附近出現具有緊湊移動床的單獨流動狀態；張煥成[40]分析了漿體管道中固-液兩相流的運動特性，將其劃分為沉降性漿體和非沉降性漿體，從動量入手建立了具有普適性的沉降性漿體流速分布模型；豐慶平[41]對鋁土礦漿管道運輸特性進行了研究，認為臨界速度應采用淤積臨界速度；孫琪[36]認為臨界速度是指當固體顆粒由沉積狀態慢慢滑動加速，直至所有固體顆粒全部浮起來時的最低速度。

4 漿體管道發展趨勢

隨著漿體輸送技術和裝備的發展，長距離管道將向大口徑、高壓力、高鋼級和智能化方向發展，漿體管道的敷設工藝技術水平將大幅提升，敷設成本也將更低。

隨著新材料和表面技術的發展，漿體管道的耐磨性能和抗腐蝕能力進一步提升，同時管道本體缺陷的力學研究需要進一步加強；檢測技術、評價方法、大數據、信息化需要高度融合，結合漿體管道智能控制系統，實現對管道的實時預警和維護。

基于物聯網的管道監測技術、工藝智能優化與控制，將為管道輸送安全提供保障；自動化、集成化、綠色化的漿體管道裝備也將為管道輸送保駕護航。