濕法煉銅項目中輸送強腐蝕性溶液的壓力管道運行過程中常見的故障分析

黎良濤

中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局國際事業部

鋼骨架聚乙烯塑料復合管屬于高密度聚乙烯材質的壓力管道,是有發展前途的產品，它以優異的化學性能、韌性、耐磨性以及低廉的價格和安裝費受到管道界的重視，是僅次于聚氯乙烯（PVC）使用量占第二位的塑料管道材料。鋼骨架聚乙烯塑料復合管也叫鋼絲骨架塑料復合PE 管，是由連續纏繞焊接成型的網狀鋼筋骨架與高密度聚乙烯同步擠出、一次成型的新型雙面防腐壓力管道，鋼骨架聚乙烯塑料復合管件是以薄鋼板沖孔后焊接成型的鋼筒為增強骨架，與聚乙烯注塑復合制成的管件，包括電熔套筒、各種角度彎頭、三通和變徑管件等。高密度聚乙烯具有良好的耐腐蝕性、抗老化性，鋼絲骨架具有良好的剛度、韌性等機械性能，鋼骨架管則兼備二者優良性能，廣泛用于工業工程中輸送腐蝕性介質。緬甸銅礦項目使用了約30 000 米DN600 PN16 的鋼骨架聚乙烯塑料復合管，用于輸送堆浸場酸性（pH=1 ～2）和稀混合溶液，在運行過程中，這些管道出現了癟管、管道滲漏、管件滲漏等多種故障類型，為提高該類管道的耐用性和降低故障率，保障生產條件，我們現場考察并結合相關資料分析故障產生的原因，提出改進措施。

1 鋼骨架聚乙烯塑料復合管線出現故障的類型

1.1 緬甸銅礦當地強日照和溫度對鋼骨架聚乙烯塑料復合管運行影響

緬甸銅礦項目堆浸場的鋼骨架管在額定工況下的運行壓力為0.7 ～1.2 MPa。根據2018 年全年至2019年5 月期間的管道故障頻數統計，發現在這兩年的4 ～5月份的故障頻數比其他時間段要稍高，又因緬甸銅礦當地每年的4 ～6 月份為最熱最干燥的季節，因此我們考慮到環境溫度可能是管道故障的一種關鍵因素，于是為了加強對比性，分別從運行的管道和未運行的管道兩個方面進行了管道外壁溫度檢測，結合規范規程進行分析，得到溫度對管道運行影響的結論。

1.1.1 運行管道的溫度影響

2019 年5 月8 日—2019 年5 月10 日，通過對堆浸場的鋼骨架管線不同時段的運行溫度進行了測量，測量結果統計如表1。

表1 堆浸場鋼骨架管線不同時段的運行溫度

根據實際測量溫度，白天一直運行的鋼骨架管道的溫度最高為52 ℃左右，最低為20 ℃左右，溫差約為31 ℃左右。根據鋼骨架管的規范《鋼骨架聚乙烯塑料復合管管道工程技術規程CECS 315：2012》的4.1.1條規定[1]，不同溫度下鋼骨架管的最大允許工作壓力不同，需乘以相應的折減系數，具體規范如表2。

表2 鋼骨架聚乙烯塑料復合管的壓力折減系數

根據規范，此時的鋼骨架管最大允許工作壓力應按公稱壓力乘以折減系數折算，折算系數為0.81，鋼骨架管的設計壓力為1.6 MPa,則管道允許壓力為：

因為鋼骨架內運行的介質為硫酸銅溶液，依據《中華人民共和國化工行業標準HG/T-369 ～3691-2001》中的5.1.2 規定[2]，管材在輸送特殊介質時，應將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數，具體規范如表3。

表3 公稱壓力修正系數

將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數,則管道允許壓力為：

結論1：

根據以上實驗說明，白天一直運行的鋼骨架管道的溫度最高為52 ℃左右，此時管道的允許運行壓力必須小于1.04 MPa(10.4 公斤)，否則管道會受到損傷，降低使用壽命。

1.1.2 未運行管道的溫度影響

2019 年5 月8 日—2019 年5 月10 日，通過對堆浸場未運行的鋼骨架管線不同時段的溫度測量，測量結果統計如表4。

表4 堆浸場未運行的鋼骨架管線不同時段的溫度測量

根據實際測量溫度，白天未運行的鋼骨架管道的溫度最高為70.3 ℃左右，最低為20.1 ℃左右，溫差約為50℃左右。根據鋼骨架管的規范《鋼骨架聚乙烯塑料復合管管道工程技術規程CECS 315：2012》的4.1.1 條規定[1]，不同溫度下鋼骨架管的最大允許工作壓力不同，需乘以相應的折減系數，具體規范見表2。

此時的鋼骨架管最大允許工作壓力應按公稱壓力乘以折減系數折算，折算系數為0.6，鋼骨架管的設計壓力為1.6 MPa,則管道允許壓力為：

將修正后的公稱壓力再乘以0.8 的折減系數,則管道允許壓力為：

結論2：

根據以上實驗說明，白天未運行的鋼骨架管道的溫度最高為70.3 ℃左右，此時如果要運行管道，需將運行壓力控制到0.768 MPa(7.68 公斤)以下，否則管道會受到損傷，縮短使用壽命。而主泵站內泵的運行壓力約1.0 MPa,大于此時管道的溫度（70.3 ℃左右）條件下的允許運行壓力，如果這時啟泵，在管道溫度還未下降到安全運行溫度時，管道不足以承受1.0 MP 壓力，管道受損的風險較大，因此建議在高溫季節，盡量在低溫時段啟泵，防止鋼骨架管道受損。

1.2 緬甸銅礦鋼骨架聚乙烯塑料復合管運行工況對自身強度的影響

在搶修堆浸場發生故障的鋼骨架塑料復合管時，我們將所有共12 處管道的故障部位剖開、分解，發現它們內部損傷均有如表5 的相似癥狀。

表5 故障管道內部損傷癥狀

根據該統計可以發現，12 處故障管道內的鋼骨架全部被腐蝕，另外3 種癥狀的頻率均到達50%以上，可見管道故障包括鋼骨架與PE 脫層、管內壁PE 層有孔眼、管內壁PE 層有裂痕等3 種癥狀隨時間加重，進而造成管道內部鋼骨架接觸到酸性溶液而被腐蝕，當這3 種癥狀同時存在時，會更快地造成管道內部鋼骨架接觸到酸性溶液而被腐蝕。因此根據現場的實物觀察與分析，同時查閱大量資料，找到造成這些不利于管道運行癥狀的原因，制定相應的防范措施。

1.2.1 長輸管線中水錘現象對管道內壁損傷的情況

堆浸場及主泵站的鋼骨架聚乙烯塑料復合管線均為長輸管線，在突然啟泵或停泵的過程中，管線中的液體流速度迅速發生變化，因為管線較長，管線中的流體在短時間內不能到達均勻的流速，不同速度的液體在管道內產生撞擊，波動前進，這就是水錘效應，啟泵時會產生正水錘，停泵時會產生負水錘。水錘現象產生的瞬時壓強變化能達到管道正常運行壓力的幾倍甚至幾十倍，正水錘的強大壓力會使管道內壁產生裂紋，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。負水錘會形成強大負壓，在負壓作用下，管道被吸癟，吸癟的管道在下次啟泵時會回彈恢復圓形，反復的吸癟及回彈，會對管壁造成疲勞損傷，從而產生裂縫，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。這種停泵時吸癟、運行時又恢復回彈的現象在鋼骨架長管線的中段和尾端均有不同程度的體現，正好印證了水錘現象。

預防措施1：

為了減小水錘現象對管道的沖擊和破壞，可以從減小管道中溶液動能的角度出發，泵站啟泵時，先開一級泵（非變頻泵），緩慢地開啟泵站出口的閥門，根據管線內徑、全長、泵的額定流量等參數計算出溶液充滿管線的時間,然后間隔半個小時待管線中液壓平衡后再開啟二級泵（變頻、升壓泵），開泵時先低頻運行，然后每隔半小時提升一次二級泵的頻率，逐漸達到額定頻率。泵站停泵時，停泵順序與開泵順序相反，先逐步將二級泵的頻率降到最低，然后停二級泵，等管道中溶液壓力平衡后降停一級泵并緩慢關閉出口閥門。按照這種順序啟泵與停泵，可控制管線中的壓力平穩變化，減緩水錘效應，啟泵、停泵過程中管線中的壓力變化如圖1。

圖1 啟泵、停泵過程中管線中的壓力變化

1.2.2 氣蝕現象、溶液含砂量大對管道內壁損傷的情況

泵站停泵或管道排空后，管線上各個分支閥門沒有及時關閉，空氣可能會從堆上管道進入鋼骨架聚乙烯塑料復合管線中，造成管道內的溶液混合了一定的空氣。啟泵后空氣隨著液體高速向前運動，形成氣包或泡沫，當水錘產生時，壓強急劇變化，氣泡瞬時潰破并釋放出高速微射流，在管壁上形成細微的孔洞，孔洞逐漸變大形成裂縫，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低，管道破裂。管道內運行的溶液需要噴淋到礦堆上，與礦堆反應后收集到溶液池，再次通過管道輸送到礦堆噴淋，如此反復循環，從礦堆收集的溶液具有一定比例的含沙量，資料顯示，HDPE 耐磨性是普通碳鋼的4 倍以上，但在實際應用中，由于工況不同，管道的耐磨表現有很大差異。通常認為，塑料管道的磨損受介質中固體顆粒的粒徑、形態（銳度）、硬度、流速、濃度等因素影響較大。根據實際應用經驗，故障管道內PE 層出現一些細小的劃痕狀缺陷，應與汽蝕和高流速溶液中沙礫磨礪的長期綜合作用密切相關。

預防措施2：

為了減少這種不利現象，在停泵時及時關閉管線上各個分支閥門，防止空氣從堆上管道進管線中為汽蝕現場創造條件，另外在溶液收集池外增加沉砂池，起到一次沉淀作用，在泵站吸水管端設置濾網，起到二次澄清的作用。通過減少管線中溶液的空氣及砂礫含量，減小氣蝕及砂石磨礪管壁的強度。

1.2.3 熱脹冷縮現象對管道內壁損傷的情況

緬甸銅礦現場為亞熱帶氣候，最高氣溫達到40 度以上，晝夜溫差可達到20 度以上，堆浸場的鋼骨架聚乙烯塑料復合管線均為露天敷設，受太陽曝曬，黑色管線在正午最熱的時候吸熱后表面溫度會達到70 多度，而晚上管道降溫后表面溫度與環溫相同，約為20 度，溫度變化造成管道晝夜不停地熱脹冷縮，根據我部在檢修鋼骨架聚乙烯塑料復合管過程中發現，將管道鋸斷后，管線熱脹冷縮的收縮量為±100 mm 至±150 mm左右。因高密度聚乙烯管壁與管壁內的鋼絲骨架的熱脹冷縮率不同，在管線反復伸縮的過程中，高密度聚乙烯管壁與管壁內的鋼絲骨架的黏合力逐漸降低，局部脫層，并對管壁造成損傷形成裂紋，溶液從裂紋接觸到鋼絲組成的骨架，將骨架腐蝕，從而造成管道耐壓能力大幅降低。

預防措施3：

緩解這種熱障冷縮現象的破壞作用，需從減小管壁溫差變化的角度采取措施[3]，根據現場實際條件，可以將露天的管線涂上白色油漆，減少吸熱，緩解管壁的晝夜溫度差，或者采用黏土將管線覆蓋，使陽光無法照射，使管壁的晝夜溫度趨于一致，將熱脹冷縮效果降到最低。

2 結論

如何提高輸送強腐蝕性溶質的壓力管道的穩定性一直是工程中十分關鍵的問題，尤其是像緬甸銅礦這種大型項目，在正常生產條件下，壓力管道基本上保持長時間連續運行，并且運行環境濕度大、日照強、晝夜溫差大，壓力管道能在這種高強度且環境惡劣的情況下長久穩定地運行是保證生產任務的重要保證，通過現場考察反復實驗、多次對比、分析總結的方法，研究分析壓力管道在系統中位置、外部環境、運行工況、介質屬性、含沙量等各個因素對管道抗腐蝕性能的影響，提出了強腐蝕性運行條件下的故障預防措施，能有效地保證其運行的穩定性。