李培凤 （太钢矿业公司尖山铁矿）摘 要：通过对尖山铁矿铁精矿管道结垢机理的分析与研究，提出铁精矿管道除垢的几种方法，通过对不同除垢方法的分析比较，最终在生产现场得到成功的应用和实践，对浆体输送管道的除垢有重要的借鉴作用。
关键词：管道除垢；化学清洗；物理阻垢；清管器工业生产中，由于金属腐蚀、无机盐结晶、有机物质聚合、固体颗粒沉积等原因造成的设备、管道内部结垢在所难免。
污垢的产生和积累，可能导致管路堵塞、管道表面的粗糙度增加、设备腐蚀加剧等问题。
因此，阻垢和除垢已成为许多企业保证安全、稳定、环保生产亟待解决的问题。
传统的除垢方法主要有化学清洗法和机械清洗法，因其对生产过程的影响和时间的浪费，以及较大的工作劳动强度，使它们的应用受到很大限制。
近年来多种新型的物理阻垢除垢技术得到发展，例如磁化阻垢、除垢，超声波阻垢、除垢，量子管通环阻垢、除垢等。
这些方法在阻垢和除垢时不需要设备停止运行，可在生产正常运行过程中连续在线操作，自动化程度高，工作性能可靠，不需要化学药剂，对环境无污染，因而在未来的远距离管道阻垢、除垢过程中具有非常重要的使用价值和良好的应用前景。
尖山铁矿精矿管道是太原钢铁集团生产所需原料———铁矿浆的运输管道，是保证太钢集团生产运转的生命线。
但随着管道长时间运行，管道结垢较为严重，对尖山铁矿精矿的输送造成极为严重的影响。
针对尖山铁矿精矿管道的结垢和除垢问题，进行了大量的实验和方法论证，现已用盐酸除垢成功，但由于酸洗存在腐蚀管道、污染环境等弊端，因此，寻求更好的精矿输送管道阻垢、除垢方法仍势在必行。
山西太原太钢尖山铁矿本文针对尖山铁矿精矿管道的结垢原因及成功运用的除垢方法进行分析探讨，重点对管道除垢、阻垢的方法进行探索性研究。
1 影响铁精矿管道结垢的因素尖山铁矿有两条精矿输送管道，管道全长 102.3公里，A、B 两条管道设计输送能力为 413 万吨 / 年，实际年输送能力可达到 470 万吨，为尖山铁矿精矿粉的输送起着至关重要的作用。
随着长时间运行，管道内壁开始结垢，致使管道内径缩小, 流通截面积变小，压力增高，排量减小。
另外，管道结垢后污垢长时间附着于管道内壁还会诱发管道局部腐蚀, 可能会导致管道漏失频繁, 甚至穿孔，造成破坏性事故。
因此，铁精矿输送管道的结垢问题已成为制约我矿精矿粉能否顺利输送的重要因素，对管道进行定期除垢已成为保证我矿安全生产的一项重要工作。
精矿管道结垢是一个相当复杂的过程，不同于供热管道和锅炉结垢的常规原因。
对于供热管道和锅炉的盐类垢而言, 结垢的首要因素就是水中的盐类溶解度处于过饱和状态。
在管道中，当温度高于50～60℃时才会出现明显的结垢趋势，温度越高，结垢的趋势越严重。
其主要原因为：①温度升高时可溶性的 Ca（HCO3）2 和 Mg（HCO3）2 分解成难溶于水的CaCO3 和 Mg （OH）2；②水中的一些盐类（CaSO4，CaSiO3 等）随着温度的升高溶解度降低。
在加热过程中这些盐就从水中析出，附着于金属表面形成水垢。
另外，管道中水的流速、pH 值、压力也会明显地影响结垢的趋势，研究表明：流速越低、pH 值越高、压力越低，成垢指数越大，结垢趋势越大［ 1］［ 2］。
尖山铁精矿输送管道垢层的主要成分是 CaO和 Fe2O3，管道低压部分 CaO 的含量远大于 Fe2O3，管道高压部分 Fe2O3 含量远大于 CaO，且管道内壁垢物呈层状分布。
结合现用管道输送工艺的实际情况对精矿管道结垢的原因进行如下分析。
（1）管道输送时会经常进行输浆输水切换，输水过程中，工艺循环水 pH 值高于矿浆 pH 值，且反浮选工艺中加入 CaO，使得铁矿浆及工艺循环水中含有大量的 Ca2+，易生成难溶性的 CaCO3 晶体，管道在连续运行过程中，逐步形成以水垢 CaCO3 为晶核的铁矿粉结晶物附着在管道内壁。
（2）碳酸钙结垢的实验研究表明：提高溶液的pH 值将使碳酸钙溶液迅速结晶，能够使污垢形成的诱导期缩短，促进污垢的生长。
碳酸盐溶液迅速结晶的 pH 值范围为 9～10 时［ 3］，一般情况下，封闭体系中 CaCO（3 s）达到最小溶解度是 pH 值为 11.4。
尖山铁矿精矿管道输送的精矿浆 pH 值为 10~11，正处于易结垢范围。
（3）反浮选工艺中加入的铁矿物抑制剂玉米淀粉，随铁矿粉一起进入精矿管道，粘附于精矿颗粒上的已糊化膨胀的淀粉，由于流动性差，粘附力极强，聚合度高达 800～3000，所以在结垢过程中，淀粉与矿粉的聚合物容易粘附于管道内壁。
（4）反浮选工艺中 pH 值较大，在精矿浆进入管道前需用浓硫酸将 pH 值调节在管道所需 pH 值范围时，加入的硫酸在矿浆中形成的 SO4 2- 与 Ca2+ 生成溶解性差的 CaSO4，易析出在管道内壁结垢。
（5）由于进入管道的矿浆温度为 30℃左右，低于水结垢的温度 50～60℃，因此精矿管道结垢与矿浆温度没有直接关系。
2 铁精矿管道阻垢、除垢方法的探索针对尖山铁矿精矿管道的结垢和除垢问题，进行了大量的实验和方法论证。
2.1 阻垢方法的探讨由于选取厂生产的浮选矿浆 pH 值在 12 左右，粒级含量 D85 为 -200 目，管道输送要求的矿浆重量浓度为 66%左右，针对该种铁矿浆进行腐蚀实验，确定管道输送 pH 值为 10~11 时，对管道的磨蚀指数最低，因此在制浆工艺中加入少量浓硫酸进行矿浆pH 的调节，保护管道同时缓减结垢速度。
从目前的结垢情况分析，此种方法阻垢效果不明显，需进行寻求不损伤管道且不影响浆体正常输送的阻垢方法。
2.2 酸洗除垢方法的探讨针对尖山管道的结垢情况，进行了管道切片在不同浓度盐酸溶液的腐蚀试验、泵站低压管道垢样在不同盐酸溶液反应试验、主管道采取的垢样与稀盐酸的反应及余酸中和试验、主管道 11.5km 处管段溶垢试验、焊接精矿管道用纤维素焊条腐蚀试验、球阀球体及闸板阀闸板及内衬、绝缘短节内衬腐蚀实验。
在一系列实验的基础上研发出一套稀盐酸除垢的化学清洗工艺，并运用于尖山的两条铁精矿输送管道中。
酸洗原理：管道内注入稀盐酸与垢层中的CaCO3 等发生化学反应，将垢层的晶核分解，包覆晶核的细颗粒矿粉失去附着的骨架分层脱落，逐步被输送介质推出管道。
酸洗工艺简介：矿浆管道停止输送，管道内注满水，将工业浓盐酸和生产循环水按设计配比连续注入矿浆管道，根据酸腐蚀实验结果控制注酸量，注酸完毕，启主泵输送水，推动酸柱在管道内运行，按设计好的距离，进行分段浸泡垢层，逐段分解结垢，直到酸柱全部推出管道，然后主泵连续输送 pH 为 12左右的循环水对管道进行钝化，同时清洗管道内脱落的垢层，清洗钝化完毕，测输送压力对酸洗效果进行评估。
在多次运用后，发现酸洗方法存在一些弊端：①存在对管道本体的酸腐蚀损伤；②酸洗废液的外排处理不符合环保要求；③酸洗需长时间停产进行，且酸洗后垢层脱落不均匀，增加了管道内壁的粗糙程度，使得结垢速度加快，管道除垢的次数增加，危险性也增加。
为此，需要寻求对管道腐蚀性小、成本低、效率高的除垢方法。
2.3 【量子管通环】除垢方法的探讨尖山铁矿引入德国 WELLAN2000 量子管通环新的除垢、阻垢技术，并在 A 管道进行试验。
除垢机理：在量子管通环安装于管道上的瞬间，超精微振动波即被持续恒量地释放出来，透过管壁传入水中。
水接纳这种振动波并将其按水流方向传播开去，其速度远远高于水本身的流速，就连管路中很少流动的死角也被载上这种振动波。
在振动波的作用下，水的活性得到极大加强，大的水分子团变成小的分子团甚至单个的水分子，溶解和包含垢的能力增强，对已形成的锈、垢进行分化瓦解。
在 A 管道入口处安装三个月后效果不明显，其原因：（1）尖山铁矿环水管道在安装量子管通环后除垢效果极为显著，极大程度的缓减了生产用水的循环压力。
但在精矿管道上试验效果不明显，这可能与精矿浆的性质有关。
（2) 磁铁矿的主要成分 Fe3O4 是一种具有磁性的物质，可能会对量子管通环发出的超精微振动波形成干扰，从而使其除垢效果减弱。
（3）反浮选工艺中加入的淀粉粘附于精矿颗粒上糊化膨胀，造成矿浆流动性差，粘附力增强，所以精矿管道在结垢过程中，淀粉与矿粉的聚合物易粘附于管道内壁，日积月累与析出的水垢 CaCO3 紧密的堆积在管道内壁形成垢层，在量子管通环发出的超精微振动波作用下 CaCO3 不容易从中解离出来，从而造成除垢效果不好。
2.4 机械清管器除垢方法的探讨目前，机械清管器除垢方法已在大口径油气输送管道中除垢取得成功，对长距离渐变内径的铁精矿输送管道的除垢国内没有成功运用的案例。
针对尖山铁矿的非标管道，内径由小变大后又由大变小及内壁层次不齐的结垢层，研发出变径矿浆管道专用的一套清管器及手持式电子定位跟踪仪器；现场成功运用后，形成一套适用于长距离渐变内径，沿线多处起伏的矿浆管道机械清管器除垢工艺技术。
机械清管器工艺原理：根据管道最小内径、平均内径及垢层厚度，设计不同类型清管器的尺寸。
设计清管器的发送、接收装置，保证清管器能方便快捷的发送和接收，减少管道系统的停车时间。
同时确保清管器不能在管道入口和出口处发生卡堵。
通过发球装置将第一个探路者清管器放入管道，利用管道内的输送介质推动清管器，按管道的输送速度运行，探测管道的变形情况，同时将表面垢层刮下并推出管道，走完全程后，分析管道运行情况及清管效果。
改变清管器类型，逐步加大清管器口径及清垢能力，逐层清理结垢，直到输送压力达到要求值，对清管效果进行总体评估，选出清管能力强且口径合适的清管器，定为后续定期清管的专用清管器。
管道后期运行中，定期发送一次专用清管器将短时间内结成的浮垢及时清理掉，不会再形成较厚的硬垢，使管道运行压力保持在一定范围内稳定运行。
该工艺突破了矿浆流变特性对管道除垢的影响，清管器完全可以带浆发送，能够克服铁矿浆的高磨蚀、高冲击性，在高压矿浆中平稳运行，探管、清垢同时进行，顺利走完 102km 管道全程。
跟踪仪能够屏蔽铁矿浆的电磁干扰，对清管器在管道内的运行情况进行准确定位。
该工艺除垢对管道没有损伤，而且环保，一旦前期探管、清垢成功，以后定期清管即可，可以一劳永逸的解决管道的结垢问题。
另外，该方法还可对管道进行变形检测和腐蚀检测，能够更清楚的了解管道运行的实时情况，并作出准确的判断。
3 机械清管器除垢应用效果2012 年 2 月首次现场实施了机械除垢，集中发送机械清管器 13 次，除垢后管道运行压力、输送流量恢复到正常范围。
后每隔 2～3 个月发送一次机械清管器，及时清理内壁浮垢，阻止了浮垢的生长积累。
采用机械清管器除垢，实施过程不停产、沿线管道不开口，有效控制运行过程堵塞风险，成功实现了102km 管道整体在线除垢，且不需要废液外排，安全、节能、环保。
除垢后的管道在低压范围内，安全平稳运行，解决了长距离铁矿浆管道内壁结垢影响生产的一大疑难问题和重大安全隐患，延长了管道的使用寿。
同时，在国内外长距离固体物料输送管道结垢问题的处理及分析技术领域具有重大的借鉴作用。
4 结语远距离铁精矿输送管道在矿山企业中具有非常重要的地位，但其结垢、除垢问题却是比较难攻关的一个课题。
目前，可用于铁精矿管道除垢的方法中，以量子管通环和机械清管器除垢法最为适合。
在精矿管道上安装量子管通环的首次试验没有取得成功，但由于其阻垢、除垢方法极为简单，且投资少，因此用量子管通环除垢、阻垢仍是继续研究的重要目标。
机械清管器除垢方法在尖山铁矿长距离铁精矿输送管道除垢中已取得成功，并积累了重要经验，该法的成功应用对于长距离铁矿浆输送管道除垢具有重要的现实意义，也将为国内铁精矿管道的除垢问题作出重大贡献。
量子管通环参考文献［1］邢晓凯, 马重芳, 陈永昌. 溶液 pH 值对碳酸钙结垢的影响[J]. 石油化工设备, 2004, 33（5）: 10.［2］王兵, 李长俊, 廖柯熹, 徐庆磊, 刘颖. 管道结垢原因分析及常用除垢方法[J]. 油气储运, 2008, 27（2）:59.［3］Augustin W, Bohet M. Influence of the ratio of free hydrogen ionson crystallization fouling [J] . Chemical Engineering and Processing, 1995, 34注：1.文章转载自《晋琼粤川鲁冀辽七省金属（冶金）学会第二十一届矿业学术交流会论文集》2.照片来自网络，如涉及作品内容、版权等问题，请与贞自然联系，第一时间做删除处理。
附：量子管通环，工业应用案例照片