大落差長距離礦漿管道輸送工業實踐

勞忠友，鄭海雷

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

勐海縣盤龍山鐵礦礦區地處西雙版納自然保護區，受地理環境、用地等條件限制，選廠精礦車間存礦7天左右，為解決精礦堆存及銷售問題，又在距離礦區12 km外的219國道旁設置了精礦堆場，精礦在礦區過濾后由汽車運輸至精礦堆場堆存，根據市場情況由汽車外運銷售至鋼鐵廠。

盤龍山鐵礦建成生產多年，由于受礦區至219國道的礦區道路影響，精礦外運非常困難，成本較高，其生產一直受到限制，特別是雨季期間，由于礦區道路坡陡彎急，道路更加泥濘，有時精礦外運只能暫停，礦山生產被迫暫停。

為妥善解決好礦山精礦的運輸問題，2013年9月設計方現場進行了踏勘，提出了解決方案。設計考慮礦區至219國道旁的精礦運輸采用管道運輸，解決了精礦運輸的瓶頸問題，即選礦后的精礦經濃密脫水后高濃度礦漿通過管道輸送至12公里外的219國道旁，經過濾后進入精礦堆場堆存，再由汽車外運銷售。采用管道運輸是節能減排、節約運輸成本、提高效益的有效途徑，具有良好的經濟效益、社會效益。管道輸送固體物料比公路運輸費用低并且安全可靠，同時可以滿足礦山連續生產的要求。

1 礦山概況

勐海縣盤龍山鐵礦位于勐海縣城240°方位直距29 km處，地理坐標：東經100°11′33″～100°12′14″，北緯21°49′54″～21°50′29″，礦區面積：0.5653 km2。礦區行政區劃隸屬勐海縣勐遮鎮巴夜老寨村委會境內。2011年數據：礦山采礦證內保有111b+122b+333類鐵礦石量1 460.75 萬t，TFe品位36.71 %。另界外保有331+332+333類鐵礦石量237.62 萬t，TFe品位43.66 %。按礦山年產70 萬t/a鐵精礦計算，確定管道服務年期限為10 a。

勐海縣城至打洛的公路通過礦區南側，礦區距巴夜老寨3 km，巴夜老寨至勐遮鎮25 km，勐遮鎮至勐海縣城24 km，勐海至景洪市46 km，景洪至昆明市516 km。

礦區屬典型的亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫21.5 ℃，最低氣溫5 ℃，最高氣溫39.5 ℃。全年多雨，雨季長達半年以上。每年的4～10月為雨季，11月份～次年3月份為旱季，年平均降雨量為1 454.6 mm，年最大降雨量為1 965 mm，月最大降雨量為327.5 mm，日最大降雨量為158 mm。區內熱帶雨林發育，植被四季常綠。

2 管道系統概要

管道項目將鐵精礦漿由礦區輸送至219國道旁，線路起點站位于選廠，標高1 772 m。線路終端位于219國道旁，標高約為902 m。起點站至終端管道線路長10 km，高差-870 m。管道系統概要見表1。

表1 礦漿管道系統概要

管道系統起點與終端高差巨大，且管道距離長，設計中如不加以控制，終端剩余水頭巨大。礦漿向下輸送，利用勢能進行輸送，可節約大量能源，但是，如果控制不當，將會對管道產生嚴重的磨蝕和氣蝕、水錘，管道內礦漿加速流將會非常嚴重，管道壽命及運行安全難以保證。

3 礦漿特性

3.1 顆粒比重

鐵精礦固體顆粒真比重：4.1 t/m3。

3.2 精礦粒徑分布

鐵精礦粒徑分布見表2。

表2 鐵精礦粒徑分布表

3.3 流變特性

鐵精礦流變特性見表3。

表3 鐵精礦流變特性

流變特性關系式：τy=AcsatB，A=105 706，B=6.003；η/μ=10VrsatB’，B’=2.4546。

式中：

Csab—固體顆粒體積百分數；

Vrsat—固體顆粒與水體積濃度之比；

τy—屈服應力，dyn/cm2；

η—賓漢塑性粘度，cp；

μ—同溫度下水的粘度，cp。

3.4 礦漿滑動角實驗

隨著管子右手端緩慢上升并穩定后，能測量到表面細顆粒初始運動時管子與水平面所成角度及角度對應的坡度。精礦滑動角試驗結果見表4。

表4 鐵精礦滑動角

4 管道水力學設計

4.1 最小運行速度的選擇

管道最小運行速度的選擇是為了使礦漿中適宜的固體顆粒得以懸浮，以保持偽均勻流體的行為，并使管道底部磨損最小化。最小速度也必須保證處于紊流流動狀態。通常，紊流的判斷由漢克斯方程求得；均勻流體流態采用瓦斯普流態判別式判斷；淤積流速采用瓦斯公式求得。初步選擇管道規格φ141.3×11，各方程的計算結果見表5。

表5 最小運行速度計算結果

設計輸送濃度下限為55 %，濃度上限為65 %，基于礦漿特性、所選管道尺寸、以及類似工業礦漿管道實際數據，最小運行速度確定為1.4 m/s。

如果選礦廠生產的精礦比設計粒度組成更粗，并以低濃度輸送時，那么管道的侵蝕將會加重。短期采用低濃度和粗粒運行是可能發生的，但是會增加一些底部的磨損。不建議在此條件下長期運行，因為將使管道壽命縮短。

4.2 礦漿濃度范圍得選擇

需要有最小礦漿濃度來保持偽均質礦漿流的特點，以便提供足夠的流變特性參數。最小的濃度要求將能使預知的粗顆粒得以懸浮，以減少對管道底部的過度磨損。低濃度可能引起礦漿的非均勻性、過多的水量輸送造成能量浪費，同時增加終端廢水處理費用。較高礦漿濃度將更加經濟，但同時可能導致壓力損失及運行不穩定。

基于礦漿特性報告，上述最小速度分析，類似的工業鐵精礦礦漿管道運行經驗以及終點站過濾車間的生產要求，濃度下限是55 %。濃度在65 %以上時，礦漿的屈服應力變高，使得管道壓力下降，對輕微的濃度變化非常敏感。因此，將固體重量濃度范圍定為55 %至65 %。

應該注意到此范圍是以礦漿的流變學特性報告為根據的。但在生產運行期間，如果實際生產表明礦漿流變學特性容許的話，所輸送的礦漿濃度范圍可以擴大。

4.3 管道直徑及管道壁厚的選擇

對于特定的盤龍山鐵精礦輸送量，管道的尺寸選擇限制在很小的范圍內，在滿足規定的腐蝕及磨蝕允許條件及在各種運行條件下，管道壁厚選擇應滿足管道各部分所需要的壓力容量以及管道10年設計壽命的要求和最低的鋼管成本。根據盤龍山項目情況，選擇的管道規格為φ141.3×11，材質為API X65裸鋼管，整條管線所需的鋼管總重為353.3 t。設計管道磨蝕余量為0.45 mm/a，10年后管道壁厚為6 mm，內徑為129.3 mm，仍能滿足工藝要求。

4.4 水力坡度設計

如圖1所示，當帶漿關閉管道時，設計管道的鋼管壁厚足以承受穩定狀態礦漿水力坡度和靜壓頭。從盤龍山礦區到219國道終端，設計需要一條外徑為141.3 mm的鐵精礦輸送管道，年輸送能力為70萬t。選用的管壁厚度為11 mm以使在最大運行壓力條件下，系統穩定輸送時，能滿足在給出的磨蝕許可值下的設計壽命。

圖1 管道系統水力坡降圖

在設計條件為55 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭6.92 MPa。

在設計條件為60 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭9.25 MPa。

在設計條件為65 %固體濃度以及97.2 t/h干礦運輸量時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭11.22 MPa。

在設計條件為60 %固體濃度以及滿足最低運行速度1.4 m/s時，起點出口壓力0.1 MPa，終端剩余水頭12.89 MPa。

因此不論何種工況條件下，終端均存在剩余水頭，且剩余水頭大，故為確保管道系統的安全及服務年限，在終端建設消能站對礦漿進行消能，以確保管道系統以恒壓、恒定流量、恒定濃度進行輸送。

當系統進行批量輸送及沖洗管道時，由于礦漿與水存在比重差異，流體通過消能站時，將會存在消能效果的差異，因此消能站設置了一定數量的固定孔板與可調節孔板，通過調整孔板投入數量來確保管道系統不產生加速流，且通過調整孔板投入數量可以調節管道系統的礦漿流量，使系統輸送量與礦山選廠產能高度匹配，大大的提高了系統靈活度。

4.5 管道系統運行范圍

設計的礦漿重量濃度為60 %，范圍55 %～ 65 %，濃度范圍由濃密機確定。系統礦漿輸送量由終端消能站進行，其調節范圍確保管道流速在1.4～2.57 m/s，流量范圍56.3 ～103.23 m3/h，干礦運輸量最大為100 萬t/a，138.9 t/h。如將來礦山擴產，管道系統適應能力很強。

4.6 泵站數量及位置

根據規定的設計運輸能力、精礦濃度范圍、選擇的管道尺寸，系統設置1個泵站，壓力等級為Class 150，起點站位于盤龍山鐵礦選廠旁；終端站設置消能站及事故池，消能站壓力等級為Class 900，終端站位于219國道旁，距離礦區公路里程為12 km，管道里程為10 km；事故池用來處理管道系統的漿頭及漿尾，以及儲存事故時管道內的礦漿；過濾車間緊靠管道終端站，過濾后礦粉由膠帶倒運至精礦堆場堆存。

5 管道系統設計

5.1 起點站

起點站位于選廠方，海拔標高1 772 m。起點站前端選廠工藝為階段磨礦階段磁選工藝，排出的鐵精礦濃度約20 %。選廠排出的精礦經消磁后進入φ20 m濃密機脫水，濃密機底流消磁經兩臺離心泵(1用1備，變頻調速)剪切后進入越野管道輸送至終端。本管道工程利用勢能進行輸送，底流泵作用為對礦漿進行剪切攪拌，以使礦漿流動性更好。為確保系統安全可靠，在越野管道入口前設置了流量、壓力、密度檢測設施及管道沖洗設施，沖洗水由選廠高位水池供給，可以滿足1次管道沖洗用水需求。濃密機底還設有底流循環系統，即濃密機底部排出礦漿可以返回濃密機，以方便現場操作。

起點站包含的工藝設備：1臺φ20 m濃密機、2臺離心泵、脫磁器2臺以及相關閥門設施、流量變送器、壓力變送器、密度計等。起點站工藝系統見圖2。

圖2 起點站工藝系統圖

5.2 終端站

終端站位于219國道旁，海拔標高902 m。終端站內設消能站1座，事故池1座。綜合考慮，消能站設施設固定孔板13臺，調節孔板13塊。通過調節孔板的投入數量，確保起點站至終端站管道運行平穩，壓力穩定，起點站出口壓力大于0.1 MPa，不產生加速流。同時，消能站針對系統停車容易產生水錘，專門設置水錘消除孔板，確保停車時壓力波動不大，不產生大的水錘危害管道。

同時，消能站還設有旁路，保證正路出現問題時，也可保證系統短時間輸送。

終端站入口設置2臺閥門，1臺起密封作用，1臺起磨損作用。

終端站設事故池，容積700 m3，具有儲存礦漿及部分水處理功能。

終端站工藝系統見圖3。

圖3 終端站工藝系統圖

5.3 管道線路的選擇及管道設計

越野管道線路由起點站引出后，沿尾礦庫邊緣敷設，穿過為尾礦庫后到達礦區公路，沿礦區公路敷設至終端站。越野管道線路選擇見圖4，越野管道線路剖面見圖1。

圖4 越野管道線路走向圖

越野管道規格φ141.3×11，材質為API X65裸鋼管，外設3PE防腐層。管道全部埋地敷設，下穿道路時加鋼套管埋設。管道所有彎頭均采用熱彎頭，彎頭半徑為10D，管道連接采用焊接連接。

6 項目的建設及生產情況

2014年3月，盤龍山鐵精礦管道系統設計完成。

2014年4月，精礦管道線路開始定位放線，設備及管道進行招投標。

2014年5月，工程分為起點站、精礦管道、終端站、過濾車間(異地搬遷新建)4個部分開始全面施工。

2014年9月，管道線路施工完成，進行吹掃、試壓、通球工作。

2014年10月，起點站及終端站、過濾車間設備安裝完成進行調試工作。

2014年10月底，系統一次投料試車成功并正式投入生產，達產達標，各項指標均在設計范圍內。

據了解，盤龍山鐵礦鐵精礦管道自2014年10月投產以來，至2020年4月，已連續生產5年5個月，系統運行正常，各項指標均小于設計指標，尤其越野管道磨損量約為0.1～0.15 mm/a，遠小于設計值的0.5 mm。

7 設計中存在的問題及改進措施

終端水錘消除孔板布置于消能站管道最后邊，生產中噪聲較大，對現場工作人員及環境影響較大，經研究在水錘消除孔板后面增加了消音孔板(孔徑較大的孔板)后，其噪聲已大大減小。以后的設計中亦可將水錘消除孔板布置于消能站最前端也是可行的。

旁路設計時為了節省投資沒有設置消能孔板，如正路出現問題，使用旁路時，管道系統內將會產生加速流，雖然其時間短暫，但仍會增加管道磨損及帶來不確定性，以后設計中亦需在旁路設置消能孔板，使管道系統更加安全可靠。

8 結 語

管道運輸是目前國家積極推廣的節能減排和環保項目，符合國家的可持續發展要求，是國家產業政策支持的項目。盤龍山鐵精礦管道輸送費用比公路運輸費用大幅度降低。項目利用勢能進行輸送，耗電量基本為零，項目除管道運輸系統的自身運營成本費用外，不產生其他費用。工程管道輸送系統通過監控系統實施管道輸送系統自動化控制，管道運輸過程中的礦漿基本無泄漏，相比汽車運輸沿途的3 %。拋灑也大幅降低，對周邊環境無污染影響。項目順利投產不僅解決了盤龍山鐵礦精礦外運問題，確保礦山連續生產，并為企業節約了生產成本，創造了較好的經濟和社會效益。