不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管在礦井下超長距離供液的應(yīng)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(yè)有限公司 陜西榆林 719000

2山東科技大學(xué) 山東青島 266590

超長距離供液技術(shù)是目前國內(nèi)煤礦綜采工作面裝備配置的一個新技術(shù)，其特點(diǎn)是將乳化泵站、噴霧泵站與回采工作面移動設(shè)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(tǒng)末端壓力、采煤機(jī)內(nèi)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(shè)備安全造成威脅，同時造成乳化液的浪費(fèi)[4-5]。采用合金復(fù)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(xiàn)象，而且可回收重復(fù)使用。此前的煤礦遠(yuǎn)距離高壓供液輸送管一般都采用了超高壓無縫鋼管，對內(nèi)外表面進(jìn)行防腐、防氧化處理，但是處理后的表面，在供液時管路內(nèi)部沖擊容易造成防護(hù)層脫落，會造成鋼管內(nèi)部腐蝕，對乳化液造成污染，也會相應(yīng)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(yuǎn)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(dá)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(jìn)行研究，使用了一種內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管，對其性能進(jìn)行對比討論研究，并加以現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定該復(fù)合管可以達(dá)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(nèi)襯復(fù)合管性能對比

1.1 對比分析

一般輸送鋼管內(nèi)壁表面酸洗磷化或者鍍鋅處理，兩者防腐壽命均可達(dá) 2～3 a，成本較低[8-9]。另外一種鋼管內(nèi)壁噴涂環(huán)氧樹脂工藝，其優(yōu)點(diǎn)是能有效防止管道氧化腐蝕，減小液體流動阻力，但其缺點(diǎn)是成本較高，不易操作，不易噴涂，高壓沖擊環(huán)境下易發(fā)生剝落，對過濾系統(tǒng)和閥門造成堵塞，高壓狀態(tài)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(tǒng)長久的穩(wěn)定性。為了滿足超長距離供液所達(dá)到的防氧化、防腐的要求，現(xiàn)使用一種將不銹鋼壓制到高壓無縫鋼管內(nèi)壁制作出的不銹鋼內(nèi)襯復(fù)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(zhì)時，管道內(nèi)壁形成的極薄的氧化鉻薄膜能有效阻止金屬繼續(xù)氧化，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，可以承受弱酸弱堿的腐蝕。不銹鋼內(nèi)襯復(fù)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(qiáng)于鍍鋅層，不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管在使用過程中不會因內(nèi)壁銹蝕產(chǎn)生結(jié)垢、結(jié)瘤而使內(nèi)徑縮小。

對于現(xiàn)場應(yīng)用收集到普通鋼管與不銹鋼內(nèi)襯復(fù)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(nèi)襯復(fù)合管明顯具有耐腐蝕、阻力小、壽命長的優(yōu)勢；隨著時間的推移，普通鋼管壓損明顯，而不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管基本沒有壓損產(chǎn)生，與普通鋼管相比，壓損小的優(yōu)勢比較明顯。

表1 不同材質(zhì)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(jìn)

目前不銹鋼內(nèi)襯的制作方法，是將不銹鋼套管穿入鋼管內(nèi)，采用旋壓工藝，把不銹鋼壓制到鋼管內(nèi)壁，使之與內(nèi)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(nèi)襯與基管為 2 種材料的復(fù)合，管道內(nèi)通入溶液時，會出現(xiàn)電化學(xué)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(xué)腐蝕是一個緩慢發(fā)生的過程，短時間內(nèi)不容易被發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，2 種金屬交界處會出現(xiàn)電位差引起的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。由于不確定乳化液對不銹鋼內(nèi)襯形成的電位腐蝕的影響，所以目前未發(fā)現(xiàn)有公司或機(jī)構(gòu)對此進(jìn)行針對性的研究。不銹鋼內(nèi)襯雙金屬復(fù)合管應(yīng)用中，筆者專門對此進(jìn)行了改進(jìn)研究，制作了不銹鋼內(nèi)襯復(fù)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(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，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(xiàn)場試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

陜煤曹家灘煤礦 12 盤區(qū)首采煤層 2-2 煤由西到東煤層逐漸變薄，西半?yún)^(qū)煤層厚度為 10.80～12.56 m，平均厚度為 11.80 m，東半?yún)^(qū)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(jīng)論證后采用大采高綜放開采。設(shè)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(qū)第 2 個綜合機(jī)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(yuǎn)距離供液系統(tǒng)設(shè)計，供液系統(tǒng)管路連接示意如圖 5 所示，從泵站到工作面端頭實(shí)際供液管路長達(dá) 6 200 m。

圖5 遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)管路連接示意Fig.5 Sketch of pipeline connection of long-distance liquid supply system

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

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

表2 不銹鋼內(nèi)襯管路參數(shù)Tab.2 Parameters of stainless steel lined pipe

2020 年 5 月，對該試驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)場安裝布置，現(xiàn)場管路安裝布置如圖 6 所示。

圖6 現(xiàn)場管路安裝布置Fig.6 Layout of field pipeline

通過階梯打壓試驗(yàn)、動態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管路系統(tǒng)的耐壓性能。通過動態(tài)運(yùn)行測量數(shù)據(jù)記錄，分析該不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管路的壓力損失，設(shè)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(jìn)行采樣觀察，進(jìn)而對改進(jìn)了的不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管路防腐性能進(jìn)行對比分析。

2.3 試驗(yàn)測試

(1) 打壓試驗(yàn) 在管路安裝完成并進(jìn)行管路清洗后，對該管路系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行階梯打壓測試，對乳化液泵回液管路從 0～30 MPa 分 4 次進(jìn)行階梯打壓測試，對噴霧泵管路從 0～20 MPa 分 3 次進(jìn)行階梯式打壓測試，每次間隔 30 min，期間對系統(tǒng)進(jìn)行巡回檢查，結(jié)果如表 3 所列。

表3 管路壓力測試數(shù)據(jù)Tab.3 Data of pressurized test for pipeline

進(jìn)液管路承壓達(dá)到 40 MPa，試驗(yàn)壓力達(dá)到 40 MPa，回液管路和噴霧管路承壓達(dá)到 20 MPa，試驗(yàn)壓力分別達(dá)到 30、20 MPa，滿足實(shí)際情況達(dá)到的壓力值。

(2) 長期運(yùn)行試驗(yàn) 管路打壓合格后，又進(jìn)行了綜采工作面設(shè)備聯(lián)合試運(yùn)行、綜采工作試生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，隨后進(jìn)入正常的長期性生產(chǎn)運(yùn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓損分析

運(yùn)行過程中，在工作面生產(chǎn)運(yùn)行中每班隨機(jī)記錄當(dāng)時的流量和對應(yīng)的兩端的壓力差值，與系統(tǒng)試運(yùn)行時的流量和壓降曲線進(jìn)行對比，看數(shù)據(jù)的偏離狀態(tài)。隨機(jī)篩選某班某一時刻的一組數(shù)據(jù)統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)的密集區(qū)域在 500～1 500 L/min，而對應(yīng)的壓力損失在 0.7～3.8 MPa。實(shí)際運(yùn)行中，在泵站出口壓力調(diào)到 34 MPa，加之泵站智能流量預(yù)測控制技術(shù)的快速響應(yīng)，工作面端的穩(wěn)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(shù)據(jù)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(nèi)襯用在遠(yuǎn)距離供液管道系統(tǒng)內(nèi)，對管道和乳化液質(zhì)量的保護(hù)明顯。9 個月的運(yùn)行顯示，管道只有端面有限位置的碳鋼部分出現(xiàn)輕度的銹蝕和輕微電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

圖8 不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管腐蝕對比Fig.8 Comparison of stainless steel lined composite pipe in corrosion

表4 管路防腐數(shù)據(jù)Tab.4 Data about pipeline anti-corrosion

采用防電化學(xué)腐蝕不銹鋼內(nèi)襯工藝的管道，在 9個月的使用時間里沒有觀察到銹蝕現(xiàn)象。這說明通過在管路端頭進(jìn)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(xué)腐蝕問題，能夠有效地防止電化學(xué)腐蝕，明顯提高了不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管路的防腐性能。

4 結(jié)論

通過對比分析、現(xiàn)場試驗(yàn)研究、最終確定不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管在超遠(yuǎn)距離供液中可使壓損控制在 0.7～3.8 MPa。通過對不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管端頭部位進(jìn)行不銹鋼覆蓋改進(jìn)，使得改進(jìn)后的管路腐蝕現(xiàn)象明顯降低，抗腐蝕能力明顯增強(qiáng)。不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管已經(jīng)在兗礦集團(tuán)的東灘煤礦、濟(jì)寧二號煤礦等礦井下 2 000 m 供液系統(tǒng)中服役時間超過 3 a，預(yù)計能超過 5 a。由此推測，改進(jìn)后的防電位腐蝕不銹鋼內(nèi)襯管道使用壽命完全有可能接近設(shè)計壽命 10 a，其應(yīng)用于煤礦超長距離供液具有明顯優(yōu)勢，推廣應(yīng)用價值極大。