氧化铝赤泥输送管道敷设技术的比较

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  摘要:我国是全球氧化铝产量第一大国,年产量约占世界比重的40%,同时赤泥量也为世界之最。赤泥通过管道被运送到赤泥堆场存放,堆场一般远离厂区,管道需要合理的敷设方式连接起点与终点。管道敷设方式分为地上与地下两类,地上又分架空敷设和贴地敷设,地下分为管沟敷设和直接埋地敷设,本文通过比较这几种敷设方式的技术特点,受力情况,经济性得出最为优越的管道敷设方式。条件允许下最优越的为直接埋地方式,若受条件限制,应采用多种方式联合的方式最为经济可靠。
  关键词:氧化铝 赤泥 管道输送 架空 直接埋地 管道敷设
  随着铝工业的蓬勃发展,氧化铝产能越来越大,2012年中国氧化铝产量约4000万吨,平均每生产1吨氧化铝,附带产生0.8-1.5吨赤泥,由此知氧化铝赤泥年产量3200-6000万吨,中国累计赤泥已经有几亿吨,为世界之最[1]。赤泥是生产氧化铝过程中产生的工业废渣,是具有腐蚀性危险工业固体废弃物,需要将其运输到特殊处理过的赤泥堆场堆存。由于环保的要求,赤泥堆场一般建在远离厂区的位置,目前主要采用管道输送的方式将赤泥运送到堆场。输送管道敷设方式对安全、经济、建设速度、环保的要求越来越高。
  在赤泥输送管道的敷设方式分为地上与地下两类,地上又分架空敷设和贴地敷设,地下分为管沟敷设和直接埋地敷设。这几种方式各有优缺点,如果合理的选择和应用将利于工程的施工和管道的使用。
  一、几种敷设方式的特点
  1.地上架空敷设方式
  架空敷设形式灵活,方便通过对管架的调整来对管道的标高,走向,坡度等进行调整。在通过特殊地段时,比如通过公路、河流、厂区大门等可以采用桁架,在通过长距离地下障碍物,可以采用涵洞等各种手段来完成敷设。
  管架的高低,宽度,层数,材质,是否预留都可以根据要求制作,而且可以混合放置各专业管道。通常管架的材质采用混凝土,钢材,或者两者结合的方式,以取得经济合理的结果。架空管道的检修及改造很方便,可以根据情况直接对管道特定点进行修补,更换或增加需要的管件。
  输送物料管线,都应该有明确的坡度,以保证在动力失效情况下能够自流去某一个卸料的终点,保证管道不因物料沉积而阻塞,影响再次输送。架空管道坡度一般取0.3%—0.5%,坡向可以根据实际情况选择,若距离较长,可以采取分段设置放料点方式,降低管架高度。
  同时管架的间距需要满管道跨距要求,管道的跨距须选择管架中管道直径最小的跨距作为计算管架跨距。架空敷设适合适合DN≤300mm的管道,直径过大会造成管架基础太大,且补偿器占地过大。
  2.地上贴地敷设方式
  贴地方式与架空类似,适合在野外没有人车通行要求的地方。采用支墩的方式支撑管道,其通过支墩的高度来调整管道的高度,来符合坡度的要求,一般贴地敷设只有一层,材质为混凝土墩。对地形要求较高,不适合起伏或者坡度反向的地形。
  3.地下管沟敷设方式
  管沟方式是将管道置于预先制作好的地下管沟之内,管沟上有盖板,管道底部有支墩或者支架,与贴地面敷设类似。管沟可以根据要求设置管架的宽度,高低,层数等,较为灵活,适合对地面有限制的区域使用,人车通行方便,检修也较为方便。同样可以混合其他专业管道,线缆等。
  以上三种方式也可以根据实际情况混合使用,以达到经济合理的目的。
  4.直接埋地敷设方式
  前三种均为支架或支墩的间隔支撑,支撑方式灵活易调整,但是成本较高;直接埋地为地基连续支撑,受地形影响大,但是成本较低且可敷设大管径DN≥300mm管道。直接埋地方式不同于以上三种方式。管道的支撑是靠预先处理过的地基直接支撑,且是连续的,所以不用设置支墩或者支架等预制件,管道的受力更为均匀。在管道敷设完毕后,上面直接埋上覆土压实平整即可。
  管道需要埋在冻土层以下,以防止季节变化给管道带来外在影响,可以不用像架空的方式另作保温。由于管道直接与土壤接触,土质的不同,对于管道的防腐处理也不同,需要比架空更为严格的防腐措施。
  埋地管道同样需要按一定的坡度敷设,但是其在坡度调整上,不如架空方式灵活。在路线的选取上,预先需要选择地形均一且障碍物少的路径。如果遇到小范围的凹陷可以通过人工处理来填起,高凸则直接穿过。若出现长距离的反坡,则需要根据实际情况设计坡向,或者设置放料点。若地形起伏过多,则不适合采用直接埋地方式。且直埋管监测检修较为困难,不易发现问题点,检修需要将管道挖出才可施工,比前三种方式复杂。
  直埋是各种管道敷设中建设周期短,建设速度快的方式。且不占用地表农田,受气候变化的影响较小,不污染环境,不破坏生态平衡的方式。在管道上可以复垦,对环境友好。
  表1 管道敷设的几种方式
  二、几种敷设方式的受力计算
  1.垂直方受力计算
  地上架空,贴地敷设,及管沟这三种方式均为管架或者支墩支撑管道,管道的跨距计算方式如下:
  管道跨距按按以下强度条件和刚度条件计算,取结果小的为最终跨距。
  强度条件计算跨距[2]:
  (1)
  试中:Lmax-管道(或管架)允许最大跨距(m)
  q-管道单位长度计算载荷(N/m),q=管材重+保温重+附加重
  W-管道截面抗弯截面系数(cm3)
  Φ-管道横向焊缝系数
  -钢管热态许用应力(N/mm2)
  刚度条件计算跨距[2]:
  (2)
  式中:Lmax-管道(或管架)允许最大跨距(m)
  q-管道单位长度计算载荷(N/m),q=管材重+保温重+附加重
  Et-在计算温度下钢材弹性模量(N/mm2)
  I-管道截面惯性矩(cm4)   i0-管道放水坡度,i0≥0.003
  以上三种方式的跨距计算,是要防止跨距过大,管道受重力悬垂处出现向下的弯曲而产生反坡,最终改造成管道的疲劳变形。
  而直接埋地方式,其靠地基支撑,连续均匀受力,不会出现这种情况,它的垂直方向受力是向上的,要防止管道上拱变形而造成失稳。计算公式[3]如下(3):
  稳定性计算:
  (3)
  式中:Q1-作用在单位长度管道上的垂直分布荷载(N/m)
  rs-安全系数,取1.1
  Npmax-管道最大轴向力(N)
  fo-初始挠度(m)
  E-管材弹性模量(MPa)
  lp直管横截面惯性矩(m4)
  2.轴向受力计算
  管道除了有向下的重力,还需要承受温度变化带来的膨胀和收缩的应力。架空、贴地及管沟方式管道热膨胀通过自然补偿或者人工补偿来吸收应力,保护管道不被破坏[4]。最终管道受力的部分在被固定支架固定处。其余滑动支架不受力或者少受力,固定支架吸收热膨胀力,传至地基。这三种方式的轴向受力按下述方式计算。
  钢管道受热后的膨胀量,按式(4)计算:
  (4)
  式中:IL-管道膨胀长度(m)
  α-管材的线膨胀系数(m/m?℃)
  It-管道工作温度与安装时温度之差(℃)
  I-管道长度(米)
  热膨胀产生的力,需要通过补偿来吸收,一般采用人工补偿采用方形补偿器,在这种固含较高的降低输送时,一般不采用波纹及套筒补偿器,方式阻塞波纹或套筒。方形补偿器补偿能力,通过公式(5)[5]计算弯曲应力,通过公式(6)[5]进行悬垂距离计算:通过两个计算来验证补偿器是否满足要求,在补偿器两端一段距离内设置固定支架。
  (5)
  (6)
  式中: -方形补偿器弯曲应力(MPa)
  IL-方形补偿器伸长量(m)
  E-管材弹性模量(MPa)
  Dw管道外径(m)
  h-方形补偿器悬垂距离(m)
  K-系数(K=a/h)
  -管材许用弯曲应力(MPa)
  直埋管道受力与架空不同,其处于土壤的包裹之中,有各向的压力。土壤的压力和其管道内压一般都很低,由内压引起的总体一次薄膜应力不足允许值的50%。发生直接爆破破坏的可能性很小,由于直埋管道四周都有土壤包裹,伸缩范围较小,容易破坏的最大可能是由温度应力引起的塑性疲劳破坏。这就需要计算埋地管道的与安定性(轴向受力)。安定性保证管道轴向的安全。
  安定性计算[3]:
  (7)
  式中:σj——内压、热胀应力的当量变化范围(MPa)
  ν-钢材的泊松系数
  α-管材的线膨胀系数(m/m·℃)
  E-管材弹性模量(MPa)
  σt-管道内压引起的环向应力(MPa)
  t2,t1-管道工作循环最高最低温度(℃)
  [σ]-钢材在计算温度下的基本许用应力(MPa)
  若满足上式,表明管道处于自然的锚固段,这时可以采用无补偿冷安装方式。管道回填时,既不进行预应力,也不进行补偿,温度变化时管段处于不动的锚固状态。无补偿冷安装是最简单和最经济的安装方式,但运行工况下管道承受较高应力。在满足强度条件时,管段应优先采用这种安装方式[6]。
  否则,应在该直管段设置补偿装置,并通过调整补偿装置间距,控制管段上的应力变化,使之不产生循环塑性破坏,这时,该直管段就变成有补偿安装方式。由于管道拐弯处两侧的侧向位移受到土壤反力作用不能自由伸缩,因而大大降低了它的自然补偿作用。而应力集中点与架空不同直接集中在弯管处,压力突然消失的界面如进出地面,覆土厚度变化明显处。在这些部位同样需要做特别的验算,并在应力变化处按活动段处理并合理设置补偿器及固定墩保护管道[7]。
  通过受力计算,可以得出在前三种方式,需要设置一定数量的人工补偿器来将管道“分割成”一段段受力,这样可以保证管道的安全。直接埋地方式最优的方式是长距离的直管段,这样可以几乎不作处理就完成了管道的敷设,即使在管道的特殊点,也只用设置少量的固定墩及补偿器即可。
  三、几种方式的经济性对比
  地上架空方式虽然灵活可调,但是管道架空高度根据规范、地形、当地政策等要求有最低限制,且越高管架基础需要耗费的钢材或混凝土就越多,需要长距离障碍物时,需要架设桁架等,耗费大量的钢材。而且随着管道的增多,费用急剧增长,补偿器空间会扩大占地面积,比较耗费土地,施工需要依次施工。
  贴地敷设对地形变化均一且无人车通过处适用,其架空高低,支墩消耗混凝土及钢材比架空少,占地与架空相当,支墩依次浇筑,总体费用比架空低。
  地沟敷设,受地形影响较大,与贴地敷设类似,需要预先制作好管道沟,在沟内设置支墩,沟槽可以连续机械挖掘和建造,支墩需要依次施工,费用与架空相当。
  直接埋地方式,若地形合适,甚至可以做到不用固定墩及补偿。仅挖沟和地基处理即可,可连续机械化挖掘,连续平整地基,省工时和人力,不用或较少预制件,费用最省。
  根据规范要求,凡管道表面温度高于50℃时应绝热,而赤泥一般温度在75-90℃,需要保温来保证操作人员的安全,防止烫伤和减少热量散发到操作区;且其回水还需要利用并需要加热,所在更加需要保温减少管道热量损失。除直埋外三种方式均需做保温,而直埋由于在冻土层以下,土壤可以作为天然的保温层,故可不做保温,一般保温绝热材料占管材投资的10%左右,直埋可省下这笔费用[8]。
  表2 管道敷设的几种方式的经济性对比
  四、结论
  通过上述各方面的对比,得出如下结论:
  1.架空敷设方式最为灵活,可以根据地形和要求的不同方便调整管架的高度及方式,适用范围广,检修维护方便,但是其总成本较高,占地较大。
  2.直接埋地敷设方式,其施工速度快,管道受力均匀,材料及预制件少,成本低,占地少,但是检修不方便受地形影响较大。
  3.在地形允许情况下,可以优先选择直接埋地方式,其需要进行优化不易检修的缺点,以适合更多情况下使用。
  4.在地形不适合直接埋地方式,应该联合使用架空、贴地、管沟等方式,既保证灵活性又降低成本,取得最优的结果。
  参考文献
  [1]南相莉,张廷安,刘燕,豆志河,赵秋月,蒋孝丽.我国主要赤泥种类及其对环境的影响[J].过程工程学报.2009,,9(z1):459-464
  [2]曲昭嘉,王瑾,曲圣伟等.简明管道支架计算及构造手册[M].北京:机械工业出版社.2002,10.
  [3]城镇直埋供热管道工程技术规程CJJ/T81-98
  [4]中国建设部,国家质量技术监督局.工业金属管道设计规范GB50316-2000[S].2001.
  [5]湿法冶金工艺管道设计手册编写组.湿法冶金工艺管道设计手册[M].原子能出版社.1981,5.
  [6]中国工程建设标准化协会.浆体长距离管道输送工程设计规程ces98:98[S].1998.
  [7]王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计[M].中国建筑工业出版社.2007,1.
  [8]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(第三版)[M].化学工业出版社.2003,8.
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