我国长距离浆体管道输送系统的应用概况与展望

陈光国

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

我国长距离浆体管道输送系统的应用概况与展望

陈光国

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

长距离浆体管道是一种高效、节能、环保的运输方式，拥有广阔的应用空间和发展前景。为了使我国浆体输送从业人员更加全面、及时地了解管道输送系统的现状和动态信息，以便进一步推动该技术在我国的应用和发展，着重介绍了国内浆体输送系统动力泵、管材和阀门的研发、制造水平，总结了管道输送系统主要设备和材料的应用概况及最新进展，并对未来浆体管道输送系统的发展趋势进行了展望。

浆体管道 动力泵 管材 浆体阀门 设备

我国浆体管道输送方式经历了近60 a的发展，已有逾20条长距离、大运量、复杂地形的现代化浆体管道工程陆续建成投产，浆体管输系统的应用取得了长足的发展。随着我国自主设计建设的世界上规模最大的长距离输煤管道——神渭管道工程的实施，我国浆体管道运输领域将迎来新的发展契机。

长距离浆体管道输送系统主要包括动力泵、管材和阀门3大部分。20世纪90年代以来，随着我国瓮福磷矿和尖山铁精矿浆体管道工程成功运行，带动了浆体管输相关技术和设备产业的发展[1]。隔膜泵、柱塞泵、渣浆泵和螺杆泵等浆体管道核心动力设备从无到有，从有到优，国内泵类机械制造企业通过自主研发和消化吸收国外先进技术，填补了多项技术空白，尤其是隔膜泵的技术水平和生产能力经过近20 a的发展，已经达到了国际领先水平。浆体管道管材应用也取得了飞跃性的进展，随着我国钢铁冶炼技术水平提高和国外先进卷管焊接机械及加工工艺的引进，国产管材品种和质量标准已经充分与国际接轨[2]。浆体管道具有压力高、磨腐蚀强、埋地敷设等特点，管材一般以钢管为主。近10 a来，已被证实适用于浆体输送的耐磨管道新材料主要有超高分子聚乙烯管、耐磨陶瓷管、增强尼龙管及各种钢制复合管道，以上新材料与钢管组合形成内衬复合管，其耐磨腐蚀和降阻的性能将远远超过纯钢管，对拓展苛刻条件和复杂地形浆体管道输送具有重要意义。浆体管输条件比清水和油气等单相流体更加苛刻，浆体阀门与传统的阀门相比，在密封性、耐磨蚀性和自动化程度方面要求更高。我国浆体阀门与浆体管道同步诞生和发展，随着高性能不锈钢和合金钢的出现，以及现代耐磨层喷涂技术和先进密封技术的进步，国产的浆体阀门尺寸规格越来越大，压力等级越来越高。目前，国产阀门大多数已经能够符合国外严格的检验标准，并逐渐取代进口阀门，出现在国内外长距离浆体管道工程中。

我国是世界上矿产资源生产和消费大国，当前，浆体管道水力输送仍处于起步阶段，作为一种新兴的节能环保运输方式，尚存在广阔的应用空间，与之配套的动力泵、管材和阀门等浆体管道主要设备和材料也随之不断改进和创新，并呈现出专业化和多元化的发展趋势。

1 主要设备及材料应用概况

浆体管道工程一般分为首端工程、管线工程、终端工程3大单项工程，距离较长或管线向上高差较大的管道，通常会设置中间接力泵站工程。首端工程通常包含供料系统、制浆系统、缓冲喂料系统和泵输系统等单位工程；管线工程通常含管线系统、全线压力监测站和截断阀站系统；终端工程通常包含储浆系统、废浆处理系统、脱水系统等部分，地形复杂的管线终端通过设置消能站来防止加速流和空化危害。浆体管道辅助工程主要包括给排水系统、供电系统、通信系统和自动化控制系统等。浆体管道工程各分系统主要由泵、管、阀等3大类设备和材料组成。

1.1 动力泵

泵是浆体管道的心脏[3]，其选型是否合理，不仅直接影响管道工程基本建设投资，更重要的是关系到投产后管输系统运行的安全可靠性和运营成本。目前，适用于浆体输送的动力泵主要有离心式渣浆泵、活塞隔膜泵、柱塞泵和螺杆泵4大类。

(1)离心式渣浆泵。离心式渣浆泵(又称杂质泵)是我国最早出现的浆体泵，也是当前发展门类最齐全，适用浆体范围最广泛的泵种[4]。目前我国渣浆泵加工制造水平已经位于世界前列，国内现代化泵厂很多，以石家庄强大泵业、石家庄工业泵厂、上海凯泉泵业等为代表的制造企业，纷纷引入了CFD、CAE等先进的设计手段，在工业领域形成20多个系列，将近300多个品种的各类渣浆泵。

国内渣浆泵几经更新换代，性能明显提升，可实现多级渣浆泵串联使用，最大工作压力可达5 MPa，泵过流件通过采用高铬耐磨合金或耐磨陶瓷涂层等新材料，能成倍延长泵体使用寿命。同时，渣浆泵密封关键技术也有所突破，新型的集装式机械密封比传统的盘根填料密封、副叶轮密封和弹簧分离式机械密封泄漏量更小、使用寿命更长，机械效率更高。离心式渣浆泵与浆体管道的发展息息相关，渣浆泵通常在低压力、大颗粒、大流量的短距离浆体管道中普遍使用[5]。

(2)活塞隔膜泵。活塞隔膜泵是从传统油隔离泵基础上发展演变而来的新型动力泵，主要适应于高温、高压、强磨腐蚀性的煤化工、氧化铝和各类长距离精尾浆体管道工程，隔膜泵主要有单缸、双缸和三缸3种结构形式，成套泵是由动力端、液力端、液压控制系统、电机减速系统、电控系统等部件组成。

我国隔膜泵研发和制造起步较晚，由于泵体结构复杂，且应用领域有限，国内具备生产能力的制造企业不到5家。中国有色沈阳泵业和重庆水泵厂是我国隔膜泵的行业引导者，重庆水泵厂于1955年成功研制我国第1台三缸高压往复泵，20世纪80年代末在往复式柱塞泵及隔膜计量泵的基础上开展了大型液压隔膜泵的研制，1989年开始生产出我国第1台活塞隔膜泵产品。中色沈阳泵业于1991年启动了隔膜泵的研发和设计工作，1994年制造出第1台双缸双作用隔膜泵，2007年开发出先进的第3代双缸双作用、三缸单作用系列隔膜泵，现已具备年产大型隔膜泵100台以上的能力。这两家企业在自主研发和吸收国外先进技术的基础上，使我国在短短20 a时间内，就达到隔膜泵制造世界领先水平。目前，我国隔膜泵企业迅速做大做强，国产泵性能水平稳步提高，部分测试指标已可与国际知名的荷兰GEHO(奇好)、德国WIRTH(维尔特)和FELUWA(菲鲁瓦)隔膜泵产品比肩，尤其是神渭输煤管道项目6级泵站34台主隔膜泵全部国产化，将带领我国隔膜泵产业走向国际舞台。隔膜泵的出现，为我国长距离和苛刻工况浆体管道工程建设创造了有利条件。

(3)柱塞泵。柱塞泵是往复式容积泵的一种，主要通过液压系统驱动柱塞在缸体内往复运动，使缸体容积发生变化来吸入和排出浆体。柱塞泵目前有单缸和双缸2种结构形式，主要适用于粗颗粒、高压力、高浓度、高黏度等苛刻工况浆体管道，柱塞泵是长距离浆体管道重要泵种，能够很好地弥补隔膜泵在浆体颗粒粒径方面的缺陷，已被广泛应用于建筑混凝土输送、矿山金属和非金属充填、尾矿膏体输送、污泥和电厂灰渣输送等行业。

我国早在20世纪50年代就已经开始了柱塞泵雏形的研发和简单应用，但进展缓慢，随着液压驱动技术和耐磨新材料的发展，柱塞泵于20世纪90年代初，在矿山充填开采中最先使用[6]。随后，我国建筑行业开始引入混凝土泵送技术，柱塞泵作为混凝土泵，掀起了建筑业混凝土泵送浇筑方式的革命，并迅速在浆体领域其他行业扩展。

我国柱塞泵技术从引进到创新，研发制造能力不断增强，以三一重工、中联重科和飞翼股份为代表现代化泵企迅速崛起，2012年1月，我国最大的工程机械企业——三一重工，成功并购全球最大的混凝土机械制造商——德国普茨迈斯特(Putzmeister)，标志着我国柱塞泵技术水平和生产能力已经全球领先。随着我国粗颗粒煤炭管道运输、矸石充填及尾砂筑坝等新技术、新工艺出现，将带动柱塞泵往高压力、大排量方向不断演进，柱塞泵有望成为未来长距离浆体管道主力泵种。

(4)螺杆泵。螺杆泵是容积式转子泵，它依靠螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体[7]。螺杆泵按螺杆数目可分为单螺杆泵、双螺杆泵和三螺杆泵。螺杆泵能适应高浓度、高黏度和含粗颗粒(颗粒直径不超过转子偏心距)的浆体。

我国螺杆泵的研制始于20世纪60年代，天津市工业泵总厂于1984年引进德国Allweiler公司的制造技术后开始批量生产。我国天津泵业机械集团、重庆明珠机电有限公司等泵企在螺杆泵制造使用方面实力领先。在低压力、高浓度、高黏度的浆体管道工程中，螺杆泵与离心式渣浆泵相比有一定的优势，但在高压力、大流量的长输浆体管道中与隔膜泵和柱塞泵相比尚有差距。目前，螺杆泵主要在油气田开采行业气液混输、原油外输、聚合物输送、污油污水输送应用较多，在浆体管道输送领域还处于推广应用阶段。

浆体管道系统4大类动力泵(单泵)性能比较见表1。

表1 浆体管道系统4大类动力泵(单泵)性能比较

随着我国浆体管道技术的不断发展，以上4种主要动力泵均经历了多代技术革新，泵品种更繁多、功能更全面，现有各种物料浆体管道基本上都存在匹配的泵型可供选择。此外，水隔离泵、转子泵、潜水泵等诸多泵种也随浆体管输技术的进步得到了长足的发展，并应用到浆体领域的方方面面，为我国浆体管道事业的飞跃提供着源源不断的动力。

1.2 管 材

管材是浆体管道工程的重要组成部分，材质优劣将直接影响管道运行安全和投资成本。至今，我国还未启动浆体管道专用钢管的研制和批量生产，浆体管道工程设计和建设执行的国内外标准规范中，钢管选材主要依据《GB/T 9711 石油天然气工业管线输送系统用钢管》和《API SPEC 5L 管线钢管规范》，管线钢管按生产工艺不同分为无缝钢管、电阻焊钢管、埋弧焊钢管等8种[8]，目前使用最多的有无缝钢管(SMLS)、直缝高频电阻焊管(ERW)、直缝埋弧焊管(SAWL)、螺旋缝埋弧焊管(SSAW)等4种类型。

(1)无缝钢管主要在短距离、小管径流体管道应用较多，也常用作各种复合钢管的外套管。与焊接钢管相比，较大口径的无缝钢管，其外观质量、焊接性、尺寸精度等方面都较差，且造价较高。

(2)螺旋焊缝管造价适中，但由于其焊缝较长，焊缝缺陷的几率较高，同时管道内焊缝余高呈现螺旋状，对浆体的流态有一定影响，螺旋焊缝管在我国长距离、大口径油气管道广泛使用，但作为磨蚀性和腐蚀性较强的浆体干线管材，仍存在少量的风险。

(3)直缝焊钢管克服了无缝管和螺旋管的诸多不足，是我国目前浆体管道使用最多的钢管类型。直缝焊管主要分高频电阻焊与埋弧焊钢管两类。在管径系列上，二者可以优势互补；在焊缝强度上，高频电阻焊由于没有焊材填缝，其强度最高等于母材，与埋弧焊钢管相比处于弱势，但其采用钢卷作原材料，生产成本比埋弧焊管稍低。我国目前已建成的长距离浆体管道，如太钢尖山、云南大红山、包钢白云鄂博、攀钢新白马等铁精矿管道，由于管径均偏小，所以采用直缝高频焊管居多。

神渭输煤管道的建设，带动了我国钢企对浆体管线钢的研发热情，2011年在管线钢行业处于国内领先地位的武钢集团研究院，专门针对煤浆管道的特点，率先研究开发出WJ系列管线钢。神渭管道项目采用的WJ65钢的生产工艺流程与X65钢一致，其强度、韧性及可焊性等力学性能指标均等同于甚至优于X65管线钢，尤其是耐磨性能比X65管线钢高出10%以上，WJ65管线钢的研制生产并在长距离浆体管道正式投入使用，标志着我国浆体管线钢已经逐渐专业化。

近10 a来，适用于浆体输送的耐磨管道新材料不断涌现，如超高分子聚乙烯管、耐磨陶瓷管、增强尼龙管及各种钢制复合管道，其优良的耐磨性能已经在苛刻浆体工况中得到充分验证。国内近期开发研制的超高分子量聚乙烯管材(UHMW-PE)，提出了“以塑代钢，比钢更强”的质量目标，该产品聚合而成的平均分子量>350万的热塑性工程塑料，集中了其他非金属管道耐磨、耐腐蚀、耐压等多重优点[9]，可在-70～90 ℃温度条件下工作，管径最大可达800 mm，最高耐压可达2.5 MPa，目前已在国内的金属尾矿和疏浚工程中开始使用，并展现出优良的性能。现有耐磨新材料管材在输送浆体时也存在各种各样的缺陷和不足，如超高分子聚乙烯管承压能力低、韧性差；陶瓷管道单节管较短(一般不超过3 m)、脆性大、不能单独焊接；橡胶、尼龙管道易老化、使用寿命短等等。如今，上述耐磨新材料管材在短距离、低压力、地势平坦的浆体管道可独立使用，在长距离、高压力、复杂地形条件下也大有用处，它们均可用作内衬耐磨层，与钢管形成复合管道，这样既可利用钢管的耐压和可焊性，又兼具了耐磨材料的突出优点[10]，不仅大幅提高了浆体管材的使用寿命，而且还能节省大量的钢材，降低管道工程投资成本。

1.3 浆体阀门

我国浆体阀门与浆体管道同步诞生和发展，它是浆体管道系统的重要组成部分，其投资额最高约占管道工程总投资的1/5。目前常用的浆体阀门主要有球阀、旋塞阀、闸阀等几大类。浆体阀门是在通用阀门结构形式基础上优化、改进而来，与其他通用阀门相比，浆体阀门使用工况更加苛刻，主要用于高温、高压、强腐蚀性、强磨蚀性等环境条件。浆体阀门需采用优质的耐磨材料、严格的密封结构、特殊的防堵塞设计、且需配备功能强大的执行机构，因此，浆体阀门结构源于传统阀门，质量和造价高于通用阀门[11]。

(1)刀闸阀结构简单、体积较小、操作维护简便、造价低廉，是浆体管道在低温、低压管路上普遍采用的阀门类型，国产浆体刀闸阀最大公称直径DN1 600，最大公称压力可达4.0 MPa，其主要缺点是使用寿命较短(一般5～10 a)、易泄漏、故障率较高、后期维护成本高。

(2)球阀是由旋塞阀演变而来的，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现阀门开启和关闭。浆体球阀主要优点是使用寿命长、结构紧凑、耐高压、耐磨腐蚀性强、流体阻力小、开关迅速、密封性能好、适用范围广，主要缺点是结构复杂、体积较大、造价昂贵、在浆体中开闭时容易卡阀嗤阀。随着耐磨新材料和喷涂技术的不断进步，浆体球阀过流面通过喷涂司太立合金(STL)、镍基合金、碳化铬(Cr3C2)、碳化钨(WC)等耐磨层，能成倍提高阀门使用寿命。全通径、高压力、大口径、双向密封、长使用寿命的浆体球阀逐渐取代其他类型阀门，成为长距离高压浆体管道的首选阀类。我国球阀制造企业众多，制造能力最大公称压力42 MPa，最大公称直径DN3 000，国内浆体管道已投入使用的球阀最大口径DN600，最高工作压力25 MPa，已达到国际同等产品水准，但是国产高压耐磨阀门在加工精度、材质和结构设计方面与国外先进技术相比仍存在差距，目前，无论是油气管道还是浆体管道，关键位置球阀仍以进口为主。

(3)浆体旋塞阀原理与球阀相似，主要分为规则型、短型、文丘里型和全通径型4类。旋塞阀的阀塞为柱型或锥形，过流通道一般为梯形，因此与同类型的球阀相比，旋塞阀密封面远大于球阀，密封效果好、耐磨蚀和冲刷，而且浆体管道中可以作耐磨调节阀使用，结构简单、造价较低。旋塞阀的缺点主要是扭矩偏大、操作不灵活，需要注脂密封、公称尺寸较小(一般不大于DN800)。我国旋塞阀企业数量较多、但制造规模小，产品主要以小尺寸的旋塞阀为主，一般用于长输管道排污、泄空和截断等位置。浆体管道大尺寸、高压力的耐磨旋塞阀以进口为主，由于旋塞阀功能与球阀相当，且造价低于球阀，因此，旋塞阀在浆体管道中仍有广阔的应用空间。

2 浆体管输系统展望

2013中国国际管道大会上，国内外专家共同展望：未来长距离管道将朝着更大口径、更高压力、更高钢级、更多介质和更加智能的方向发展[12]。

现代长距离浆体动力泵总体发展方向是大流量、高扬程、高效率、零泄漏、耐磨、耐腐蚀、使用寿命长。其中，大流量、高压力的隔膜泵和柱塞泵是长距离浆体管道应重点发展的泵种，应注重简化泵体结构、提高泵体易损件使用寿命和对苛刻浆体颗粒的适应性，增强泵的智能化和安全使用水平。

我国管线钢正向管径1 422 mm、X90/X100钢级、0.8设计系数的高强度管材迈进[13]，浆体输送钢管亟需系列化和专业化，同时，应积极拓展高性能耐磨新材料管材和优质复合管材的研发与工程应用。

国产浆体阀门应加强通用阀门向浆体专用阀门在结构、材质和精加工水平等方面的转化和改进，努力提高大尺寸、高磅级、耐磨腐蚀性强、密封性好、自动化程度高的浆体阀门设备，尤其是球阀的研发制造水平，提升阀门执行机构的智能水平和可靠性。

此外，浆体管道系统专用设备，如进排气阀、安全阀、调节阀、孔板、爆破片等，在国内还存在许多空白，需鼓励国内企业自主研发生产，并提高现有产品的质量和性能。其他长输管道系统通用设备，如自动化控制设备、焊接设备、管道泄漏和爆管监测与防控设备等，则可充分借鉴和吸收现代油气管道成熟的产品和技术，实现跨越式发展。

3 结 论

综上所述，我国浆体管道技术发展至今，软实力和硬件条件稳步提升，泵、管、阀等主要设备和材料的研发、制造和应用水平迅速提高，长距离管输系统核心技术和关键设备逐渐拥有了自主知识产权。尽管部分高压、大流量国产管输设备在加工精度、材质和结构设计方面与国外先进技术水平相比仍存在一定差距，随着我国自主设计建造的神渭输煤管道工程的建设实施，长距离浆体管道“中国制造”指日可待。我国浆体管道将努力实现数字管道、安全管道、绿色管道的宏伟目标。

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[12] 中国石油新闻中心.中国管道发展趋势探析[EB/OL].[2015-01-05].http:∥news.cnpc.com.cn/system/20131009001450438.shtml. China National Petroleum Corporation News Center.An analysis of the development trend of China pipeline[EB/OL].[2015-01-05].http:∥news.cnpc.com.cn/system/20131009001450438.shtml.

[13] 王晓香.当前管线钢管研发的几个热点问题[J].焊管，2014(4)：5-13. Wang Xiaoxiang.Several hot issues of current research and development of line pipe[J].Welded Pipe and Tube，2014(4)：5-13.

(责任编辑 罗主平)

Application Situation and Prospect of Long Distance Slurry Pipeline Transportation System in China

Chen Guangguo

(WuhanDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，CoalPipingDivision，Wuhan430064,China)

As a high efficiency，new energy-saving and environment-friendly modes of transportation，the long distance slurry pipelines has a broad application and development prospects.In order to make slurry workers understanding of the status and dynamic information of pipeline transportation system more comprehensive and immediate，so as to promote the application and development on the technology in China，manufacture development and application level of domestic pipeline transportation system is introduced on the aspects of power pump，pipes and valves.The latest progress and application situation of main equipments and material in pipeline transportation system are summarized.Future development trend of slurry pipeline transportation system is prospected.

Slurry pipeline，Power pump，Pipes，Slurry valves，Equipment

2015-02-02

中国煤炭科工集团科技创新基金项目(编号：2014QN036)。

陈光国(1985—)，男，工程师，硕士。

TD928.6，TD463

A

1001-1250(2015)-05-153-05