高压水射流技术在武山铜矿管路除垢中的应用

邝志华

（江西铜业集团有限公司 武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山铜矿井下N-460m泵站2路排水管路受工况条件影响，均有不同程度的积垢，导致排水效率降低、电耗增加。采用传统的通球清理法，现场条件难以满足，施工安全系数低，对井下矿山排水安全影响较大。若采用更换排水管道的方法，不仅大大地缩短了管路的服务年限，也增加了铺设新管路的费用［2］。本文结合该泵站排水管路的管道长度、安装结构、空间位置和结垢状况，提出了高压水射流技术在武山铜矿排水管路除垢中的应用措施。

2 高压水射流技术的工作原理

高压水射流技术是以水为介质，通过高压水发生装置形成高压，再经过特制的喷头喷射出能量集中、速度很高的水射流，连续不断地作用在被清洗表面，从而使垢物脱落，达到清洗目的。高压水射流清洗装置主要由高压泵或增压器、动力部分、调节阀、连接管、喷头及工作附件等组成［3-4］。

3 高压水射流技术除垢应用难点

N-460m泵站是武山铜矿二期技改后新建泵站。泵站内共有6台水泵，各自通过分支管路与2路主排水管路相连，2路主排水管路沿斜管道进入竖井与原N-310m泵站主排水管路连接，竖井内-310m中段以上主排水管路，是通过改造继续延用原N-310m泵站和N-160m泵站2路主排水管路。采用高压水射流技术清理该泵站排水管路，存在以下主要难点。

（1）N-460m泵站承担着北矿带排水重任，排水管路距离长，垂直距离达534m，一次性清洗难度大，且清洗期间不能影响泵站正常排水。

（2）管路内壁结垢清淤排污方式的确定。泵站排水管路内壁结垢较多，加之高压清洗设备清洗用水，排污量大，污泥处理是关键因素之一。

（3）不同管段结垢硬度、厚度不一，主要为硫酸盐和硅酸盐等均质结垢物，质地坚硬。排水管路自投入使用后从未进行过结垢清洗，清洗设备压力等级及喷头的选择。

（4）管路过流断面形状不规则。井筒内排水管路存在变径情况，且N-460m泵站内排水环形管网有较多弯头，过流断面形状不规则将会严重影响喷头的通行。

（5）清洗设备转场及运行条件苛刻。受井下作业现场条件和空间限制，起吊转运大型设备程序繁琐、费时费力，且-310m以上中段为非生产中段，清理设备进场困难。

（6）高压水管清洗范围受牵引力的制约。井筒作业平台空间较小，最多只能允许2名操作人员同时牵引高压水管作业，受高压水管自重影响，清洗范围越大，所需的牵引力越大，超过某一范围后，将很难保证清洗作业，且不利于井筒高空作业安全。

4 解决措施及除垢工艺

4.1 解决措施

针对实际应用中存在的难点，通过以下措施及做清洗试验予以解决：

（1）对井筒内排水管路进行开孔（如图1所示）实施分段清洗，并设计制作密封短管（如图2所示）对开孔进行密封。完成开孔后将预先制作好的不锈钢短管（一端为斜口，另一端焊接法兰）斜口套在开孔处，短管安装方向应向上与排水管成45°角（方便高压水管下放），短管安放到位后再进行焊接。

图1 管路开孔示意图

图2 密封短管示意图

（2）开孔尺寸及开孔间距：排水管路采用273×10不锈钢无缝钢管，根据管路压力等级要求，选定开孔尺寸为DN150。清洗过程中需要操作人员反复牵引高压清洗管路。1m清洗管路实际重量为0.6kg。50m管路重量30kg,100m管路重量为60kg。通过人员操作试验对比，选定开孔间距定为50～80m。

（3）排污方式：对于井筒管路及泵站内环形管路可分别采用在井筒垂直管路底部（如图3所示）和泵站内环形管路末端开孔设置集中排污孔（如图4所示），并安装密封短管，安装方向应向下与排水管成45°角；对于水泵分支管路，可拆卸止回阀边盖，利用止回阀边盖检修口作为排污孔（如图5所示）。设计制作集污装置将清洗出的结垢与污水一起引入泵站沉淀池处理，完成每段清洗后使用盲板和密封垫对排污孔进行密封处理。

图3 井筒管路排污孔示意图

图4 泵站环形管路排污孔示意图

图5 水泵分支管路排污孔示意图

（4）清洗设备压力等级及喷头的选择。高压水射流清洗的效果主要与水压、流量以及喷嘴直径有关。而压力、流量及喷嘴直径可根据小孔出流基本理论［5］，计算得出

式中，d为喷嘴直径，mm；Po 工作压力，MPa； Q为工作流量，L/min；φ为流量系数。

①通过做清洗试验，选择了两种压力的清洗机，对试验管路的结垢进行了除垢，其中，15MPa的压力清洗机无法将管壁结垢清理干净；采用压力等级为30MPa的清洗机满足了清洗要求。最后，选择了压力等级为30MPa的清洗机进行管路的除垢。

②针对结垢厚，过流断面形状不规则的情况，应采用合适直径的旋转式喷头，与定喷头相比，旋转喷头水流覆盖面增大，分布更均匀，清洗效果更好［6］。在清洗试验过程中，清洗人员先采用了小尺寸固定式喷头，该喷头在使用过程中多次出现卡住的情况，后改用旋转式喷头有效地解决了喷头卡住的问题。

（5）合理选择清洗设备布设点及清洗顺序 。考虑到清洗机的有效清洗范围及转运条件，最终选定将清洗设备先后布设在-310m中段、-160m中段、+74m进行井筒管路清理，最后布设在-460m中段进行泵站环形管网、斜坡管路以及水泵支路管路清理（如图6所示）。使所有管路都在清洗机的有效清洗范围之内，转运次数最少，而且这四个中段都有起吊设施及配套电源，能满足清洗设备的起吊转运及运行条件。

图6 清洗机布设点、管路开孔位置及排污孔位置示意图

4.2 除垢流程

4.2.1 竖井主排水管路除垢

图7 竖井管路清理工艺流程图

按自上而下单路分段清理竖井内主排水管路内壁结垢。清理一路主排水管路时，关闭该管路主排水闸阀，另外一路管路可安排正常井下排水。清理时，拆卸高压清洗机喷头入口和排污孔盲板及密封垫，将高压软管和喷头投放至清理位置，启动高压清洗机，调整压力并观察排污孔出泥浓度和颗粒大小情况。清洗顺序：以-310m中段为例，采用自上而下的清理顺序，-310m中段至-410m中段，-260m中段至-310m中段，工艺流程（如图7所示）。

4.2.2 斜管道与泵站内主排水管除垢

清理时，拆卸斜管路上端开孔和泵站内主排水管路末端盲板，将高压清洗机高压软管牵引至泵站内主排水管路末端，连接喷头，并预留清理行进长度。将喷头伸进主排水管路中，启动高压清洗机，通过螺旋喷头自行前进，往返清理泵站内主排水管。停机后，再将喷头从斜管路上端开孔伸入，进行清理。斜管道与泵站内主排水管全部从泵站内主排水管路末端排出。

4.2.3 水泵分支管除垢

打开水泵止回阀边盖，将喷头伸进分支与主排水管路连接处，启动高压清洗机，往返拽动高压软管，使结垢脱落。

5 清理效果

高压水射流清理效率高，清理效果好，可见管路金属本色，且不会造成管路基体损伤［7］。清理前、后管道结垢对比如图8所示。

图8 清洗效果对比图

6 结束语

高压水射流技术在武山铜矿管路除垢中的成功应用，有效地解决了该矿井下排水管路结垢严重的问题，极大地提高了管路排水效率，显著降低管道阻力，提高排水效率，确保了排水系统的安全运行，为矿山带来了十分明显的经济效益和社会效益，也为其他条件类似的井下矿山排水管路结垢清理提供了有效的借鉴。