不銹鋼內襯復合管在礦井下超長距離供液的應用研究

雷亞軍，楊建輝，韓春福，王 亮,2，寧永威

1陜西陜煤曹家灘礦業有限公司 陜西榆林 719000

2山東科技大學 山東青島 266590

超長距離供液技術是目前國內煤礦綜采工作面裝備配置的一個新技術，其特點是將乳化泵站、噴霧泵站與回采工作面移動設備分離，通過高壓輸送管道將高壓乳化液、高壓噴霧用水輸送至回采工作面，同時保證支架液壓系統末端壓力、采煤機內外噴霧和支架噴霧使用要求[1-3]。

使用高壓膠管供液容易造成管路鼓裂，對人員和設備安全造成威脅，同時造成乳化液的浪費[4-5]。采用合金復合管不僅避免了管路接頭變徑引起的壓力脈沖和高壓膠管脫皮現象，而且可回收重復使用。此前的煤礦遠距離高壓供液輸送管一般都采用了超高壓無縫鋼管，對內外表面進行防腐、防氧化處理，但是處理后的表面，在供液時管路內部沖擊容易造成防護層脫落，會造成鋼管內部腐蝕，對乳化液造成污染，也會相應地縮短管路中零件的使用壽命[6-7]。在 1 000～3 000 m的距離，回采相對時間較短，此工藝滿足遠距離供液的需求；但對于超過 6 000 m、長時間回采的工作面，就很難達到防腐、防氧化并且供液過程壓損小的要求。

通過對礦井下超過 6 000 m 供液過程進行研究，使用了一種內襯不銹鋼復合管，對其性能進行對比討論研究，并加以現場試驗驗證，最終確定該復合管可以達到良好的防腐、防氧化且供液過程壓損小的使用要求。

1 不銹鋼內襯復合管性能對比

1.1 對比分析

一般輸送鋼管內壁表面酸洗磷化或者鍍鋅處理，兩者防腐壽命均可達 2～3 a，成本較低[8-9]。另外一種鋼管內壁噴涂環氧樹脂工藝，其優點是能有效防止管道氧化腐蝕，減小液體流動阻力，但其缺點是成本較高，不易操作，不易噴涂，高壓沖擊環境下易發生剝落，對過濾系統和閥門造成堵塞，高壓狀態下防腐壽命為 1～3 a。

以上幾種表面處理的鋼管都無法滿足煤礦井下6 000 m 以上超長距離的供液需求，也無法保證供液系統長久的穩定性。為了滿足超長距離供液所達到的防氧化、防腐的要求，現使用一種將不銹鋼壓制到高壓無縫鋼管內壁制作出的不銹鋼內襯復合管。不銹鋼為 0Cr18Ni9，其中含有 18%的鉻，在輸送水、氣、油、乳化液等介質時，管道內壁形成的極薄的氧化鉻薄膜能有效阻止金屬繼續氧化，具有較強的耐腐蝕性能，可以承受弱酸弱堿的腐蝕。不銹鋼內襯復合管的不銹鋼厚度為 0.3～3.0 mm，而鍍鋅鋼管的鍍鋅層厚度僅為 0.07 mm，厚度相差 5～17 倍，且不銹鋼的耐腐蝕性和密封性也強于鍍鋅層，不銹鋼內襯復合管在使用過程中不會因內壁銹蝕產生結垢、結瘤而使內徑縮小。

對于現場應用收集到普通鋼管與不銹鋼內襯復合管隨著時間推移末端出口壓力情況，如圖 1 所示。

圖1 管路出口壓力隨時間的變化曲線Fig.1 Variation curve of pressure at pipeline outlet with time

由表 1 可以看出，不銹鋼內襯復合管明顯具有耐腐蝕、阻力小、壽命長的優勢；隨著時間的推移，普通鋼管壓損明顯，而不銹鋼內襯復合管基本沒有壓損產生，與普通鋼管相比，壓損小的優勢比較明顯。

表1 不同材質供液管使用情況對比Tab.1 Comparison of liquid supply pipe with various material in application state

1.2 防腐性能改進

目前不銹鋼內襯的制作方法，是將不銹鋼套管穿入鋼管內，采用旋壓工藝，把不銹鋼壓制到鋼管內壁，使之與內壁有效貼合，管路兩端采用封焊工藝，如圖 2 所示。

圖2 管路兩端封焊工藝Fig.2 Sealed welding process at both ends of pipeline

在溝槽連接管道中，不銹鋼內襯與基管為 2 種材料的復合，管道內通入溶液時，會出現電化學腐蝕，這是這種工藝唯一存在的問題，如圖 3 所示。

圖3 管路端頭電位差腐蝕示意Fig.3 Sketch of position of potential difference corrosion at pipeline end

電化學腐蝕是一個緩慢發生的過程，短時間內不容易被發現，隨著時間的推移，2 種金屬交界處會出現電位差引起的電化學腐蝕現象。由于不確定乳化液對不銹鋼內襯形成的電位腐蝕的影響，所以目前未發現有公司或機構對此進行針對性的研究。不銹鋼內襯雙金屬復合管應用中，筆者專門對此進行了改進研究，制作了不銹鋼內襯復合管，采用不銹鋼層全覆蓋接觸溶液的方式，通過焊接不銹鋼層后進行電化學腐蝕試驗，如圖 4 所示。

圖4 管路端頭焊接不銹鋼覆蓋層Fig.4 Welding of stainless steel coating layer at pipeline end

2 現場試驗研究

2.1 試驗地點

陜煤曹家灘煤礦 12 盤區首采煤層 2-2 煤由西到東煤層逐漸變薄，西半區煤層厚度為 10.80～12.56 m，平均厚度為 11.80 m，東半區煤層厚度為 8.08～12.09 m，平均厚度為 10.61 m，東翼采用大采高一次采全高開采，西翼經論證后采用大采高綜放開采。設備用于西翼大采高綜放工作面，其配套能力為 1 500萬 t/a。122108 工作面為曹家灘綜采區第 2 個綜合機械化放頂煤開采工作面，工作面走向長度為 5 966 m，傾向長度為 280 m。在該工作面采用了遠距離供液系統設計，供液系統管路連接示意如圖 5 所示，從泵站到工作面端頭實際供液管路長達 6 200 m。

圖5 遠距離供液系統管路連接示意Fig.5 Sketch of pipeline connection of long-distance liquid supply system

2.2 試驗設計

由圖 5 可知，從泵站到工作面端頭實際供液管路長達 6 200 m。從上到下依次是主進管路、回路管路、噴霧管路。管路采用了不銹鋼內襯復合管，其主要參數如表 2 所列。

表2 不銹鋼內襯管路參數Tab.2 Parameters of stainless steel lined pipe

2020 年 5 月，對該試驗進行了現場安裝布置，現場管路安裝布置如圖 6 所示。

圖6 現場管路安裝布置Fig.6 Layout of field pipeline

通過階梯打壓試驗、動態運行試驗，驗證該不銹鋼內襯復合管路系統的耐壓性能。通過動態運行測量數據記錄，分析該不銹鋼內襯復合管路的壓力損失，設置對照組，按每隔 50 m 安裝 2 支的方式布置。煤層回采時，通過對拆卸下來的鋼管進行采樣觀察，進而對改進了的不銹鋼內襯復合管路防腐性能進行對比分析。

2.3 試驗測試

(1) 打壓試驗 在管路安裝完成并進行管路清洗后，對該管路系統進行打壓測試。分別對乳化液泵高壓供液管從 0～40 MPa 分 5 次進行階梯打壓測試，對乳化液泵回液管路從 0～30 MPa 分 4 次進行階梯打壓測試，對噴霧泵管路從 0～20 MPa 分 3 次進行階梯式打壓測試，每次間隔 30 min，期間對系統進行巡回檢查，結果如表 3 所列。

表3 管路壓力測試數據Tab.3 Data of pressurized test for pipeline

進液管路承壓達到 40 MPa，試驗壓力達到 40 MPa，回液管路和噴霧管路承壓達到 20 MPa，試驗壓力分別達到 30、20 MPa，滿足實際情況達到的壓力值。

(2) 長期運行試驗 管路打壓合格后，又進行了綜采工作面設備聯合試運行、綜采工作試生產等環節，隨后進入正常的長期性生產運行試驗。

3 試驗結果分析

3.1 壓損分析

運行過程中，在工作面生產運行中每班隨機記錄當時的流量和對應的兩端的壓力差值，與系統試運行時的流量和壓降曲線進行對比，看數據的偏離狀態。隨機篩選某班某一時刻的一組數據統計，工作面壓降隨流量的變化曲線如圖 7 所示。

圖7 工作面壓降隨流量的變化曲線Fig.7 Variation curve of pressure drop on work face with flow rate

由圖 7 可以看出，除最大流量時系統瞬間壓力損失在 6.4 MPa 左右，而工作面大部分時間，供液流量數據的密集區域在 500～1 500 L/min，而對應的壓力損失在 0.7～3.8 MPa。實際運行中，在泵站出口壓力調到 34 MPa，加之泵站智能流量預測控制技術的快速響應，工作面端的穩定壓力始終在 30 MPa 以上，滿足工作面支架的使用需求。

3.2 防腐性能對比分析

通過采用高倍放大鏡肉眼對比觀察 1、3、5、7、9 個月隨著工作面回采拆卸下來的管路，記錄觀察對比數據如表 4 所列。

從表 4 可以看出，普通鋼管的銹蝕對乳化液的污染明顯。不銹鋼內襯用在遠距離供液管道系統內，對管道和乳化液質量的保護明顯。9 個月的運行顯示，管道只有端面有限位置的碳鋼部分出現輕度的銹蝕和輕微電化學腐蝕現象。

圖8 不銹鋼內襯復合管腐蝕對比Fig.8 Comparison of stainless steel lined composite pipe in corrosion

表4 管路防腐數據Tab.4 Data about pipeline anti-corrosion

采用防電化學腐蝕不銹鋼內襯工藝的管道，在 9個月的使用時間里沒有觀察到銹蝕現象。這說明通過在管路端頭進行不銹鋼全覆蓋工藝后，很好地解決了管道端面的銹蝕和電化學腐蝕問題，能夠有效地防止電化學腐蝕，明顯提高了不銹鋼內襯復合管路的防腐性能。

4 結論

通過對比分析、現場試驗研究、最終確定不銹鋼內襯復合管在超遠距離供液中可使壓損控制在 0.7～3.8 MPa。通過對不銹鋼內襯復合管端頭部位進行不銹鋼覆蓋改進，使得改進后的管路腐蝕現象明顯降低，抗腐蝕能力明顯增強。不銹鋼內襯復合管已經在兗礦集團的東灘煤礦、濟寧二號煤礦等礦井下 2 000 m 供液系統中服役時間超過 3 a，預計能超過 5 a。由此推測，改進后的防電位腐蝕不銹鋼內襯管道使用壽命完全有可能接近設計壽命 10 a，其應用于煤礦超長距離供液具有明顯優勢，推廣應用價值極大。