南非选矿EPC项目中衬胶管道的应用

2019-11-27腰胜辉

铜业工程 2019年5期

腰胜辉

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

1 引言

随着我国走出去的战略和一带一路倡议的实施，非洲在我国海外矿山市场中占据了重要的地位。南非作为世界第五大矿业国，在世界矿业领域有着较大的影响力，是非洲矿山的高端市场。近年来，我国与南非的经贸关系和政治关系日益密切，在矿山领域具有广阔的合作前景。

矿浆管道是矿山工程中主要工艺管道，负责各类浆液输送。常见的矿浆管道有钢管，衬胶钢管，衬塑钢管，衬陶瓷钢管，双金属管，超高分子聚乙烯管（UHMWPE管），高密度聚乙烯管（HDPE管）等等。其中，衬胶钢管具有技术成熟，耐磨效果好，抗机械冲击能力强，使用寿命长等优势，在南非的选矿厂中具有十分广泛的应用。

在南非某铜浮选厂总承包项目中，衬胶矿浆管道得到了大量应用。根据该项目中衬胶管道的应用特点，总结了南非和国内的衬胶管道在制造、设计和安装等阶段的不同之处，为今后在南非开展类似工程提供一些参考。

2 衬胶管道的管材选择

衬胶钢管通常由外层钢制管道基体和内层橡胶板粘接而成，外层的钢制管道是常规的碳钢管，通常为无缝钢管或螺旋焊管，内层的橡胶层通常为3～12mm厚的硫化橡胶板。

南非具有比较完善的制造工业和相关标准体系，能够自主生产衬胶管道，选矿厂生产所用衬胶管道大多采用当地制造。在EPC项目中，中国总承包方常通过在中国国内采购和加工的方式进行成本控制。对于衬胶管道，在国内进行采购和加工时，不易找到完全对应南非标准的管道材质，在业主同意的前提下，通常选择不低于南非标准要求的国内管材代替。

2.1 钢管选择

南非应用最广泛的钢管标准为SANS 719［1］，该标准与国内的GB/T 3091《低压流体输送用低焊接管道》所规定的内容类似。SANS 719标准3.2节规定了三种可用材质，这三种管材的主要化学组分和物理特性列于表1中。

表1 SANS719标准中管材主要化学组分和物理特性

南非选矿厂中通常选用GRADE B材质，该材质适用于大部分工况中的矿浆管道。国内材质与之性能相近的管道材质为标准GB/T 699 “优质碳素结构钢”［1］中的Q245。Q245和GRADE B的主要化学组分及物理特性对比详见表2

表2 Q245和GRADE B的主要化学组分和物理材质特性对比表

当采用Q245管材替代GRADE B管材时，需要注意管材的水压试验需满足南非标准要求。SANS 719 4.2.4节和GB/T 3091 5.6节［3］中都对管材提出了水压试验的要求。两部标准规定的水压试验压力计算公式均按可下式计算:

其中，α为系数；Y为材料屈服强度下限，MPa； t为管材壁厚，mm； D为管道外径，mm。

SANS 719和GB 3091关于水压试验中的规定有两处不同：（1）南非标准中系数α为1.5，而国内标准中规定α为1.2，国内标准规定的试验压力低于南非；（2）国内标准规定了最高试验压力为5MPa，而南非标准规定最高试验压力为7MPa，国内标准规定的最高试验压力也低于南非。因此，在EPC项目中，当业主要求管材进行水压试验时，需要注意按照南非标准执行。

2.2 橡胶选择

衬胶层的橡胶材质选择范围较广，常见的有天然橡胶，氯丁橡胶，丁腈橡胶，三元乙丙橡胶等等，南非常用的材质是天然橡胶和氯丁橡胶。南非依据美标ASTM 相关标准对衬胶性能进行检验，主要性能指标如表3所列。

表3 ASTM标准衬胶性能指标表

上表所列的性能指标与国内标准要求相差不大，国内衬胶管道生产厂家较多，部分厂家还拥有自己的橡胶混炼配方，生产出的衬胶制品具有很强的耐磨能力，能够满足南非要求。

3 衬胶管道制造的对比

3.1 衬胶管道制做工艺流程对比

衬胶钢管的制作工序大致如图1所示。

图1 衬胶管道制做流程图

南非和国内的衬胶管道大体都按此流程进行制造，只是衬胶基体的样式有所不同。南非采用的衬胶基体为橡胶板，与钢管粘接时，首先将胶板卷成圆筒，再将圆筒与钢管进行粘接，生产出的衬胶内表面有一条沿管道轴向的搭接缝。采用橡胶板作为衬胶基体是衬胶工艺的传统方法，国内仍用此法处理大型的衬胶槽罐，但在衬胶管道上的应用已逐渐被淘汰。目前国内的衬胶基体多采用一次挤压成型的成品胶管，衬胶时直接将胶管与钢管粘接，生产出的衬胶内表面光滑平整，没有接缝。南非生产的衬胶管道由于内壁有一条搭接缝，经过长时间冲击和磨蚀后，搭接缝容易脱开，衬胶层容易剥落。

3.2 法兰衬胶面的对比

国内和南非生产的衬胶管道都采用全平面法兰，不同的是南非习惯将法兰面全部衬胶，而国内只采用部分衬胶，如图2所示。

图2 法兰面衬胶方式对比

法兰面上的衬胶起着类似于密封垫片的作用。采用全平面法兰时，南非按照全平面法兰尺寸制作翻面衬胶，国内则采用类似凸面法兰垫片尺寸制作翻面衬胶。与国内做法相比，南非采用的衬胶面有密封面更大，泄漏通道更长的优点，不过也有密封面不易压实以及螺栓预紧力分布不匀等不足。

实践证明，两种做法均可胜任绝大部分的选矿工况，但是南非业主有时仍不认可国内的衬胶翻面做法，因此在国内加工时，需要提前和业主及制造厂沟通确认法兰面衬胶的形式，避免日后出现返工，造成费用和工期损失。

3.3 活套法兰的应用

如图3所示的活套法兰在国内应用非常广泛，主要用来调整管道转向和调整螺栓孔位置。这种法兰在南非却并不常用，南非更习惯采用如图4所示的“封闭管（CLOSURE PIPE）”来解决这些问题。

图3 中国的活套法兰

图4 南非的封闭管

如图4所示，“封闭管”一般会比实际设计的管段长度长100～200mm，超出设计长度的这部分端面的法兰不固定，衬胶和钢管不粘接，管段的另一端则正常焊接法兰，粘接衬胶。当某一位置需要安装时，现场根据实际所需长度对“封闭管”的活动端进行切割剪裁，并根据配对法兰的实际螺栓孔位置在裁剪后的管道上配焊法兰。法兰焊接完成后，再由专业人员将衬胶重新粘贴，制成长度和螺栓孔都适合该位置的管道。这种做法虽然可以一次性的完成长度和螺栓孔方向的调整，但是却需要大量的现场及场外加工和吊装转运工作。当管路走向较复杂，需要多处调整时，采用该方法会大大增加人工消耗，拖慢安装进度，效率十分低下。活套法兰使用方便，当管道系统复杂，工程量大时，尤其可以凸显优势。虽然南非不常使用活套法兰，但向业主证明活套法兰的设计载荷满足要求后，业主一般也会同意使用活套法兰。

表4 南非常用钢管管径

4 衬胶管道设计

4.1 管道管件规格对比

南非采用的钢管的部分管径规格如表4所列，这些管径绝大部分与国内标准GB/T 17395中规定的系列1管径相同。国内很容易采购到相关规格的钢管。

选矿厂所用浆液管道弯头的回转半径较大，常见的有2.5D(2.5倍直径)，3D（3倍直径），5D(5倍直径)等。国内标准GB/T 12459［4］和南非标准SANS 62［5］及SANS 719均对3D弯头的外形尺寸作了规定，其中90°弯头部分数据如表5所列。

如表5所列，除了DN80～DN150弯头中心至端面距离与国内规定差异较大以外，其他弯头的尺寸大体相同。

其他三通，变径管等常用管件的尺寸规格在SANS 62和SANS 719中都有具体规定，国内制造时，按照该标准规格进行加工即可。

4.2 法兰规格对比

南非的法兰标准SANS 1123［6］中给出了全平面法兰、凸面法兰等几种法兰面形式。其中，选矿厂的实际应用更倾向于使用板式平焊全平面法兰。国内制造的设备接管口常用凸面法兰，选购国内设备时需要注意法兰面配对。

国内板式平焊法兰标准为GB/T 9119［7］，与SANS 1123标准相比，两者规定的法兰内径、法兰外径、螺栓孔中心圆直径以及螺栓个数均相同，不同之处是法兰厚度和螺栓规格。部分法兰数据如表6所列。

表6 法兰厚度和螺栓规格对比表

如表6所列，中国标准法兰设计更加保守可靠，相同设计压力下，厚度比南非法兰厚4～11mm，部分法兰所用的螺栓也比南非法兰规格大一号。国内采购法兰时可以直接应用中国标准法兰，法兰厚度和螺栓孔的差异不会对设计、安装、使用维护阶段造成显著影响。当国内管道制造厂自己加工法兰时，建议按照南非法兰标准规格生产，可以节省材料成本。