PE 管在凍結法鑿井中輸送低溫鹽水的可行性探討

宋亞楠 吳康寧

(中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥 230601)

凍結法鑿井是通過輸送低溫鹽水到地下進行熱交換，吸收地層中的熱量，從而使地層降溫，形成不透水且能抵抗地壓的凍結壁圓筒［1］。凍結法鑿井技術屬于高耗能技術，因制冷需要耗費大量的電能。隨著凍結法施工在礦井建設中的不斷應用，現選擇一種在低溫鹽水輸送中的新型材料替代鋼管，對減少材料成本、降低冷量損失、節電降耗、提高經濟效益有著非常重要的意義。

1 低溫鹽水輸送管材要求

凍結法鑿井中低溫鹽水輸送分為兩個部分。首先在凍結站降溫后的低溫鹽水輸送到井口，此段輸送管管徑較大(一般為200 mm～400 mm)，需滿足鹽水流速、壓力和流量要求，稱為鹽水干管。鹽水輸送至井口后，由配液圈分送到多個凍結管內供液管，此段輸送管路管徑較小(一般為50 mm～80 mm)，多采用φ75×6聚乙烯軟管。聚乙烯軟管的隔熱性能好，耐低溫，無接頭或接頭少，安裝方便，使用效果好，且可長管線盤管運輸，現已得到廣泛應用。然而在鹽水輸送過程中，鹽水干管口徑較大，在地面鋪設，且要保證輸送鹽水的流速、壓力和流量，因此施工技術上對此段輸送管材有以下要求:1)耐腐蝕性。鹽水為凍結施工中的冷媒劑，一般為氯化鈣、氯化鎂的氯鹽溶液，有腐蝕性。2)低溫下抗壓和韌性。凍結施工中的低溫鹽水一般在－30℃左右，鹽水流動具有一定的壓力，且多為地面鋪設，雖有保護設施，但要在受到意外沖擊時，能保證施工安全。3)內部流動阻力小。干管內低溫鹽水流速一般為1.5 m/s～2.0 m/s，隨著凍結深度的增加，建井速度的提高，現多達到3 m/s以上［2］。為保證鹽水流速需要減少管道阻力，對輸送管道內部流動阻力有一定要求。

2 低溫鹽水輸送施工現狀

在過去凍結施工中，鹽水干管一般采用無縫鋼管，現在多采用螺旋焊管。雖然能滿足施工安全技術要求，但在經濟、安全和施工時仍存在著一些問題。1)因腐蝕重復利用率低。低溫鹽水管路腐蝕主要有以下三點:a.在低溫鹽水系統中，在CaCl2溶液的強電解質作用下，閥門、管道、設備材質不同就構成了腐蝕宏電池，而碳鋼管道因電位低于陽極首先被腐蝕融解。b.隨著腐蝕的發生，在換熱設備和鹽水管路的局部滯留區形成貧氧區，陽極反應產生的Fe2+與Cl－形成高濃度FeCl2溶液，水解后pH值下降為酸化區，導致化學腐蝕加快［3］。c.在工程結束后，管路內部沾有鹽水，不會完全清洗干凈，長期放置暴露在空氣中，使管路銹蝕。因此，一般情況下，拆除后立即安裝使用，可重復利用;若存放時間過長，將無法再次使用，重復利用率低，成本高。2)低溫抗沖擊能力差。低溫鹽水一般在－30℃，遠遠低于螺旋焊管的低溫脆化溫度值。在施工中，如果受到外力沖擊，容易產生脆裂。3)保溫性能差。凍結施工中，若冷量損失大，將增加凍結站制冷量，增加能耗，造成浪費。螺旋焊管導熱系數大，－30℃低溫鹽水在輸送過程中，必須使用聚苯乙烯泡沫塑料外部包扎做保溫處理，才能減少冷量損失。4)管體重，來回運輸安裝費時費工，不方便。

3 新型給水管材比選

凍結鑿井施工中低溫鹽水輸送管路可借鑒城市給送水管材。現階段給送水管材主要有玻璃鋼夾砂管、硬聚氯乙烯管(UPVC)、聚乙烯管(PE)、聚丁烯管(PB)、交聯聚乙烯管(PE-X)等。給水塑料管的化學穩定性高，耐腐蝕，管壁光滑，水頭損失小，能有效防止管道的腐蝕、結垢，且重量輕，安裝方便，但也存在缺點和不足［4］。各種管材的主要優缺點如下所述:1)玻璃鋼夾砂管。凍結施工手冊中有推薦使用，但一直沒有得到推廣和應用。玻璃鋼夾砂管管壁略厚，環向剛度較大，但玻璃鋼夾砂管材質脆，在施工過程中，機械碰撞容易發生暗傷，影響使用壽命。2)硬質聚氯乙烯管(UPVC)。其具有較高的抗沖擊性能和耐化學性能，質地堅硬，耐腐蝕不結垢，安裝方便，價廉;但接頭粘合技術要求較高，固化時間較長。3)聚乙烯管(PE)。小管徑高密度聚乙烯管(HDPE)(φ25 mm～φ90 mm)已在凍結鑿井施工中作為供液管輸送低溫鹽水得到廣泛應用，且效果良好。其韌性好，較好的抗疲勞強度，耐溫性較好，脆化溫度低，質量輕，使用年限長。缺點是可熱熔，但電熔時熔接需要電力，受條件限制［5］。4)聚丁烯管(PB)。其優點為耐溫性能好，可在20℃ ～95℃之間安全使用，抗蠕變能力強，高柔韌性，但價格較高。5)交聯聚乙烯管(PE-X)。耐溫性好，硬度高，抗蠕變性能好。其缺點為只能采用金屬件連接，不能回收重復利用。

4 PE管輸送低溫鹽水分析

凍結法鑿井施工中，低溫鹽水輸送要求管材在低溫條件下具有一定的強度，且能滿足施工方便，降低施工成本等特殊要求。聚乙烯管(PE)用作輸送低溫鹽水與目前管材相比具有較好的環保性能和可回收性，且可采用熱熔連接，接頭質量可靠，施工方便。

1)易生產，成本低。聚乙烯在熔融擠出時的流動性很好、熱穩定性也好，用擠出法生產大直徑管材比較容易，生產成本低。

2)管壁光滑，流動阻力小。PE管內壁光滑，其內表面當量絕對粗糙比值是鋼管的1/20，在相同管徑、相同長度、相同壓力下的PE管其流通能力要比鋼管大30%左右，因此經濟優勢明顯。

3)耐腐蝕性較好，環保性能好，可回收。無縫管和螺旋焊管在施工過程中及存放均會受鹽水或空氣自然腐蝕，而PE管可耐多種化學介質的侵蝕，不需防腐處理，環保性能好，且可回收，多次重復使用。且聚乙烯管的耐磨性是鋼管的4倍，如此可增加材料周轉次數，降低使用成本。但長時間在低溫下，鹽水腐蝕會對PE管的穩定性產生一定影響。

4)導熱小，減少冷量損失。相比于鋼管或螺旋焊管等金屬管材，PE管導熱系數小，可在低溫鹽水輸送過程中減少冷量損失，在同樣厚度保溫材料下，可減少制冷量需求，節約電能消耗。

5)脆化溫度低和韌性較好。螺旋焊管在－30℃的低溫條件下易產生脆性，受到外力沖擊時極易斷裂，而PE管的脆化溫度低，可在－60℃溫度范圍內安全使用，在低溫下其強度不是很高，但具有韌性，在施工時，可在管子允許的彎曲半徑內繞過障礙，降低施工難度。但在工程使用時，PE管需要在生產制造時對其結構和性能等方面進行改良，以提高其低溫下的強度，保證施工安全。

6)管體輕，易連接，方便施工。相對于無縫鋼管和螺旋焊管，PE管管體輕，安裝拆除、搬運方便。PE管本身采用熔接連接(熱熔或電熔)，本質上保證了接口材質，結構與管體本身的同一性，實現了接頭與管材的一體化，便于安裝施工。

5 結語

在當今凍結法鑿井施工中，在安全高效、快速施工的同時，如何取得更好的經濟效果顯得更為重要。通過以上分析，凍結法鑿井中PE管代替鋼管和螺旋焊管輸送低溫鹽水具有一定的可行性，但在實際施工中，仍需通過試驗、試用等手段進行進一步的分析和研究，確保其在低溫條件下的強度及穩定性，以保證施工安全。

［1］陳文豹，湯志斌.凍結法鑿井中冷凍站合理裝機能力的確定［J］.制冷學報，1982(1):42-50.

［2］崔云龍.簡明建井工程手冊［M］.北京:煤炭工業出版社，2003.

［3］吳玉勇，姚 俊，姜晨競，等.冷凍鹽水系統腐蝕研究進展［J］.科技通報，2010，26(3):421-425.

［4］梅 勝.PE管應用技術發展的現狀及前景分析［J］.廣州大學學報(自然科學版)，2004，3(3):276-278.

［5］高 飛.PE塑料管在給排水工程中應用的情況分析［J］.科技創新導報，2012(6):123.