PE 管在冻结法凿井中输送低温盐水的可行性探讨

宋亚楠 吴康宁

(中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽合肥 230601)

冻结法凿井是通过输送低温盐水到地下进行热交换，吸收地层中的热量，从而使地层降温，形成不透水且能抵抗地压的冻结壁圆筒［1］。冻结法凿井技术属于高耗能技术，因制冷需要耗费大量的电能。随着冻结法施工在矿井建设中的不断应用，现选择一种在低温盐水输送中的新型材料替代钢管，对减少材料成本、降低冷量损失、节电降耗、提高经济效益有着非常重要的意义。

1 低温盐水输送管材要求

冻结法凿井中低温盐水输送分为两个部分。首先在冻结站降温后的低温盐水输送到井口，此段输送管管径较大(一般为200 mm～400 mm)，需满足盐水流速、压力和流量要求，称为盐水干管。盐水输送至井口后，由配液圈分送到多个冻结管内供液管，此段输送管路管径较小(一般为50 mm～80 mm)，多采用φ75×6聚乙烯软管。聚乙烯软管的隔热性能好，耐低温，无接头或接头少，安装方便，使用效果好，且可长管线盘管运输，现已得到广泛应用。然而在盐水输送过程中，盐水干管口径较大，在地面铺设，且要保证输送盐水的流速、压力和流量，因此施工技术上对此段输送管材有以下要求:1)耐腐蚀性。盐水为冻结施工中的冷媒剂，一般为氯化钙、氯化镁的氯盐溶液，有腐蚀性。2)低温下抗压和韧性。冻结施工中的低温盐水一般在－30℃左右，盐水流动具有一定的压力，且多为地面铺设，虽有保护设施，但要在受到意外冲击时，能保证施工安全。3)内部流动阻力小。干管内低温盐水流速一般为1.5 m/s～2.0 m/s，随着冻结深度的增加，建井速度的提高，现多达到3 m/s以上［2］。为保证盐水流速需要减少管道阻力，对输送管道内部流动阻力有一定要求。

2 低温盐水输送施工现状

在过去冻结施工中，盐水干管一般采用无缝钢管，现在多采用螺旋焊管。虽然能满足施工安全技术要求，但在经济、安全和施工时仍存在着一些问题。1)因腐蚀重复利用率低。低温盐水管路腐蚀主要有以下三点:a.在低温盐水系统中，在CaCl2溶液的强电解质作用下，阀门、管道、设备材质不同就构成了腐蚀宏电池，而碳钢管道因电位低于阳极首先被腐蚀融解。b.随着腐蚀的发生，在换热设备和盐水管路的局部滞留区形成贫氧区，阳极反应产生的Fe2+与Cl－形成高浓度FeCl2溶液，水解后pH值下降为酸化区，导致化学腐蚀加快［3］。c.在工程结束后，管路内部沾有盐水，不会完全清洗干净，长期放置暴露在空气中，使管路锈蚀。因此，一般情况下，拆除后立即安装使用，可重复利用;若存放时间过长，将无法再次使用，重复利用率低，成本高。2)低温抗冲击能力差。低温盐水一般在－30℃，远远低于螺旋焊管的低温脆化温度值。在施工中，如果受到外力冲击，容易产生脆裂。3)保温性能差。冻结施工中，若冷量损失大，将增加冻结站制冷量，增加能耗，造成浪费。螺旋焊管导热系数大，－30℃低温盐水在输送过程中，必须使用聚苯乙烯泡沫塑料外部包扎做保温处理，才能减少冷量损失。4)管体重，来回运输安装费时费工，不方便。

3 新型给水管材比选

冻结凿井施工中低温盐水输送管路可借鉴城市给送水管材。现阶段给送水管材主要有玻璃钢夹砂管、硬聚氯乙烯管(UPVC)、聚乙烯管(PE)、聚丁烯管(PB)、交联聚乙烯管(PE-X)等。给水塑料管的化学稳定性高，耐腐蚀，管壁光滑，水头损失小，能有效防止管道的腐蚀、结垢，且重量轻，安装方便，但也存在缺点和不足［4］。各种管材的主要优缺点如下所述:1)玻璃钢夹砂管。冻结施工手册中有推荐使用，但一直没有得到推广和应用。玻璃钢夹砂管管壁略厚，环向刚度较大，但玻璃钢夹砂管材质脆，在施工过程中，机械碰撞容易发生暗伤，影响使用寿命。2)硬质聚氯乙烯管(UPVC)。其具有较高的抗冲击性能和耐化学性能，质地坚硬，耐腐蚀不结垢，安装方便，价廉;但接头粘合技术要求较高，固化时间较长。3)聚乙烯管(PE)。小管径高密度聚乙烯管(HDPE)(φ25 mm～φ90 mm)已在冻结凿井施工中作为供液管输送低温盐水得到广泛应用，且效果良好。其韧性好，较好的抗疲劳强度，耐温性较好，脆化温度低，质量轻，使用年限长。缺点是可热熔，但电熔时熔接需要电力，受条件限制［5］。4)聚丁烯管(PB)。其优点为耐温性能好，可在20℃ ～95℃之间安全使用，抗蠕变能力强，高柔韧性，但价格较高。5)交联聚乙烯管(PE-X)。耐温性好，硬度高，抗蠕变性能好。其缺点为只能采用金属件连接，不能回收重复利用。

4 PE管输送低温盐水分析

冻结法凿井施工中，低温盐水输送要求管材在低温条件下具有一定的强度，且能满足施工方便，降低施工成本等特殊要求。聚乙烯管(PE)用作输送低温盐水与目前管材相比具有较好的环保性能和可回收性，且可采用热熔连接，接头质量可靠，施工方便。

1)易生产，成本低。聚乙烯在熔融挤出时的流动性很好、热稳定性也好，用挤出法生产大直径管材比较容易，生产成本低。

2)管壁光滑，流动阻力小。PE管内壁光滑，其内表面当量绝对粗糙比值是钢管的1/20，在相同管径、相同长度、相同压力下的PE管其流通能力要比钢管大30%左右，因此经济优势明显。

3)耐腐蚀性较好，环保性能好，可回收。无缝管和螺旋焊管在施工过程中及存放均会受盐水或空气自然腐蚀，而PE管可耐多种化学介质的侵蚀，不需防腐处理，环保性能好，且可回收，多次重复使用。且聚乙烯管的耐磨性是钢管的4倍，如此可增加材料周转次数，降低使用成本。但长时间在低温下，盐水腐蚀会对PE管的稳定性产生一定影响。

4)导热小，减少冷量损失。相比于钢管或螺旋焊管等金属管材，PE管导热系数小，可在低温盐水输送过程中减少冷量损失，在同样厚度保温材料下，可减少制冷量需求，节约电能消耗。

5)脆化温度低和韧性较好。螺旋焊管在－30℃的低温条件下易产生脆性，受到外力冲击时极易断裂，而PE管的脆化温度低，可在－60℃温度范围内安全使用，在低温下其强度不是很高，但具有韧性，在施工时，可在管子允许的弯曲半径内绕过障碍，降低施工难度。但在工程使用时，PE管需要在生产制造时对其结构和性能等方面进行改良，以提高其低温下的强度，保证施工安全。

6)管体轻，易连接，方便施工。相对于无缝钢管和螺旋焊管，PE管管体轻，安装拆除、搬运方便。PE管本身采用熔接连接(热熔或电熔)，本质上保证了接口材质，结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化，便于安装施工。

5 结语

在当今冻结法凿井施工中，在安全高效、快速施工的同时，如何取得更好的经济效果显得更为重要。通过以上分析，冻结法凿井中PE管代替钢管和螺旋焊管输送低温盐水具有一定的可行性，但在实际施工中，仍需通过试验、试用等手段进行进一步的分析和研究，确保其在低温条件下的强度及稳定性，以保证施工安全。

［1］陈文豹，汤志斌.冻结法凿井中冷冻站合理装机能力的确定［J］.制冷学报，1982(1):42-50.

［2］崔云龙.简明建井工程手册［M］.北京:煤炭工业出版社，2003.

［3］吴玉勇，姚 俊，姜晨竞，等.冷冻盐水系统腐蚀研究进展［J］.科技通报，2010，26(3):421-425.

［4］梅 胜.PE管应用技术发展的现状及前景分析［J］.广州大学学报(自然科学版)，2004，3(3):276-278.

［5］高 飞.PE塑料管在给排水工程中应用的情况分析［J］.科技创新导报，2012(6):123.