水煤浆管道设计浅析

水煤浆管道设计浅析

管道室

史伟

2009年11月西安

【摘要】：本文针对水煤浆的特性，简要探讨了水煤浆管道布置中应考虑的一些主要问题并提出见解，以供相关工程设计人员参考。

【关键词】：水煤浆、流动特性、腐蚀分析、管道布置

水煤浆作为一种可输送的、特别的物料形式，目前广泛应用于煤制甲醇，煤制燃气，煤制油，煤制烯烃等煤化工项目中。水煤浆的制备与输送是整个项目中的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个装置运行的好坏。

1．水煤浆的特性

1.1水煤浆的浓度和粒度分布：

水煤浆属于煤粉悬浮体系，特性除与原煤性质有关外，其粒度分布也将直接影响水煤浆的物理和工艺特性。常用水煤浆的质量分数60 %～65 %，浓度太低会导致稳定性变差，不能满足输送和生产要求。汽化装置中水煤浆浓度过低，会导致热能浪费，提高生产成本，同时还可能使合成气过氧，造成安全隐患。水煤浆粒度分布主要与进磨机的原煤量、原煤粒度、磨机的级配、生产负荷等因素有关；煤浆浓度主要跟原煤性质、粒度分布、分散剂等因素有关。纯粹的细粒子并不能制成高浓度的水煤浆，必须将粗细粒子适当搭配，使体系具有足够宽的粒度分布和适宜的分布结构，造成溶液中不同粒子间的相互镶嵌才有利于制备高浓度的水煤浆，同时也有利于水煤浆性能稳定。

1.2水煤浆的流动特性：

水煤浆的流动情况非常复杂,不仅受到液固两相密度、固相含量、流速变化以及管道形状和布置方式的影响,而且还受到固体颗粒尺寸的影响。高浓度水煤浆作为一种均质悬浮液在管内流动时不满足剪切应力与剪切应变的线性关系，属于非牛顿流体。牛顿流体在固体壁面流动时,壁面上的流体贴附于壁面上而不会滑移。而非牛顿流体在非均匀应力场中流动会诱发大分子离开边壁向中心漂移,使紧贴壁面流体的大分子浓度降低,因此粘度也降低。霍国胜等认为液体在流动过程中要考虑滑移的依据是流动速度是否超过临界流速,若超过临界流速,则出现滑移,出现滑移就能实现减阻.水煤浆在管道中流动由于滑移产生减阻现象,其实质是由于煤粉颗粒向管中心主流区域漂移,致使管内壁面处形成一层煤粉浓度很低,粘度显著下降而剪切速率很大的薄层(称为滑移层)，随着水煤浆滑移层厚度的增加，水煤浆减阻现象明显。在工程设计中，正是利用水煤浆的滑移减阻特性，来优化水煤浆的输送，减少输送过程中对管道的磨蚀和堵塞现象的发生。

2．介质流速的确定

由水煤浆的特性知道：当管道内水煤浆流速过慢时，会使水煤浆的表观粘度变大、流动变差、稳定性下降。如果管道内水煤浆流速低于临界速度时，水煤浆会出现脱水沉淀现象，严重时将堵塞管道，造成无法通过管道输送。随着管道内水煤浆流速增大到一定程度，水煤浆将达到均相流动，水煤浆的表观粘度变小、流动性变好，易于管道输送。但是必须考虑到，水煤浆中含有大量固体且粒度分布较宽，若管道内水煤浆流速过快，在相对较高的流速下流动时水煤浆具有很大的磨蚀性，将大大影响管道的使用寿命。工程设计及生产操作时，要避免管道内水煤浆流速较慢造成水煤浆的稳定性下降和输送困难；也要避免管道内水煤浆流速过快造成输送管道严重磨蚀。根据实际工程设计经验，水煤浆在管道内的流速一般应该选择在0．5m—1.0m／s之间。

3．腐蚀分析：

水煤浆管道中为多相流,主要为液固两相流。在这种流动状态中材料的损伤形式主要是电化学腐蚀和磨损腐蚀。根据水煤浆的化学成分，合理选择相应的合金管道材料，可以很好的抵抗电化学腐蚀。这里主要讨论水煤浆的磨损腐蚀。在水煤浆管道压力不变，流动正常的情况下，磨损和冲刷并不严重,而当压力突然降低,在湍流场合,磨损和冲刷现象就较为突出。

冲蚀：不锈钢的不锈性和耐蚀性源自其表面上形成的钝化膜,而在水煤浆管道中,流体中的硬颗粒对管道进行着冲刷、侵蚀。由于水煤浆在管道中正常输送需要一定流速（0．5m—1.0m／s）,而当经调节阀减压后,根据伯努利方程式,静压能转变为动能,水煤浆流速急剧增加,流动状态呈湍流,钝化膜无法形成或被夹带着固体颗粒的高速流体给击穿。尤其在调节阀节流口,介质高速流动,具有强大动能,它可以很快将阀芯、阀座冲出流线型的细槽，新鲜的材料表面暴露在腐蚀性流体中,进一步承受腐蚀和冲蚀。当流体流经管道转弯处时,由于弯曲管壁的导流作用,弯头处流线成曲线运行,并产生离心力,使流体向外侧集中,导致弯头出口外侧流速变大,内侧流速变小。因此冲刷腐蚀在调节阀后和弯头出口外侧非常激烈,水煤浆管线调节阀后弯头容易出现穿孔就是这个原因。

气蚀：水煤浆与金属构件作高速相对运动时,由于内部压力不断地起伏、突变,使得流体中的蒸汽以及溶于水中的气体在金属表面反复出现气泡并溃灭。气泡在溃灭时产生的冲击对金属表面产生强烈的锤击作用,破坏钝化膜和膜下金属,使得正在使用的阀芯、阀座表面的材料被冲击成蜂窝状的小孔,这就是所谓的气蚀现

象。

4．管道布置探讨：

4.1放料阀相关问题：

1)设备布置方面：煤浆槽、压滤机给料槽、滤液受槽罐底出料口一般均采用

柱塞式放料阀, 柱塞式放料阀可消除管线中的死区,从而防止煤浆沉降引

起的堵塞。放料阀的柱塞要有不小于管口深度的运动距离，因此放料阀

需要有足够的安装空间。在做设备布置的时候，要保证出料管口有足够的

高度，以便满足放料阀的安装和操作。

2)放料阀管口设计方面：由于煤浆槽等管口均有衬里,衬完后的管口内表面

凹凸不平,这对确定下料阀柱塞的直径有一定的难度,过大会导致下料阀

无法使用,过小则关闭效果较差,影响下料阀的效果。所以工程设计时管口

应该尽量不用衬里。由于下料阀的进口和出口间有一定的角度关系(45°

或30°) ,且下料阀直接与设备管口连接，如果设备管口法兰的螺栓孔与

下料阀进口法兰的螺栓孔方位不符,会造成放料阀的出料口偏移而不能与

管道按原来设计走向进行连接。最好由管道专业确定好放料阀的管口法兰

的螺栓孔方位，同时在设备管口方位图上画出下料阀接口法兰的螺栓方位,与管口方位图一起提供给制造厂商。相关专业应该对放料管口螺栓孔大小

和深度提出明确要求（一般放料阀带配套螺栓），以保证安装的顺利进行。

某项目中，煤浆槽放料口的螺栓孔与放料阀螺栓孔孔径大小不一致，且煤

浆槽放料口螺栓孔过浅，导致放料阀无法紧固，现场对煤浆槽螺栓孔做了

多次扩孔。

3)管道布置方面：放料阀出口管线一般直接与泵连接，加压后输送出去。在

这种情况下，一定要算好出料阀出口标高，根据出料阀出口标高确定好泵

的进口的标高，从而确定泵的支撑点标高。因为下料阀的进口和出口间有

一定的角度关系，如果泵的进口标高不合适，会出现泵进口中心线和放料

阀出口中心线不相交的情况，从而导致管线无法连接。某项目煤浆槽出料

管线，就出现了无法正常连接的现象，最终现场制作马蹄口，才解决了连

接问题，见附图。马蹄口的连接方式降低了整个系统的使用性能，且施工

困难，焊接工作量很大。

4)下料阀最好选用气动,因在下料阀频繁开启和关闭的情况下和在潮湿的环

境下,下料阀如果选用电动的可靠性不易保证。

煤浆槽放料阀配管

4.2冲洗水管线设计：

1)为防止水煤浆积聚在管道内，堵塞管道和管件，在煤化工装置开停车时均

必须对水煤浆管道进行冲洗。冲洗水的连接形式宜采用临时连接，即在使

用时将冲洗水软管通过快速接头连接到水煤浆管道上，不用时将冲洗水软

管拆除。如果工艺严格要求采用硬管连接冲洗，冲洗水管和水煤浆管连接

处必须设置双切断阀，见附图。

其原因是：对于低压水煤浆管道，在正常生产时如果冲洗水管和水煤浆

管连接处的切断阀出现泄漏，冲洗水将进入水煤浆管道内，稀释水煤浆，轻则不能满足生产要求，严重时会造成生产安全问题。反之，对于高压

水煤浆管道，水煤浆会泄露至冲洗水系统内，污染冲洗水，堵塞管道，

造成冲洗水系统无法正常使用。

2)在工艺包中一般要求在水煤浆管道的高点和低点均应设置冲洗水接头，或

每隔十米水煤浆管道就应设置一个冲洗水接头。虽然多设置冲洗水接头有利于水煤浆管道的冲洗，但是每一个冲洗水接头都是一个潜在的煤浆泄漏点，冲洗水接头越多煤浆泄漏的可能性就越大，越不利于装置稳定安全生产。如果严格按照工艺包的要求去设计，其中部分冲洗水接头上的阀门是无法操作的，也就失去了实际意义。所以设计中应在满足工艺要求的基础上，结合实际配管情况，充分考虑冲洗水接头上的阀门的可操作性，合理设置冲洗水接头。下图所示的是煤浆泵到煤浆槽回流线上冲洗水的配管。

根据配管情况可知，如果把冲洗点设置在最高点，并不能起到冲洗作用，而且阀门无法操作。正确的配管应该是把冲洗点设置在最低点，尽可能靠近切断球阀的地方。当需要冲洗的时候，关闭切断球阀，利用高压冲洗水把高浓度水煤浆稀释并冲刷返回煤浆槽。

3)对于水煤浆管线，水平管道上的冲洗水接头应从主管道的上部接入，垂直

管道上的冲洗水接头应向上45度角接入，且根部阀到主管距离尽可能短。

管道布置时尽可能让冲洗水管系高于水煤浆管系，对于冲洗水管路防堵有重要作用。

4.3水煤浆管线设计：

1)装置停车时，水煤浆在管道的低点产生不流动区，水煤浆在此段管道内会

脱水沉淀，若冲洗不及时此段管道将被堵塞，给下次开车造成诸多不便，处理不当会严重影响正常生产，故水煤浆管道在配管设计中禁止出现液袋。

2)泵入口要有一定的坡度，管线应尽量短，采用尽量少的管件以减少入口管

线的压降，防止气蚀现象发生。泵出口在配管时既要考虑管线的柔性、阀门的可操作性、泵的可检修性,同时还要考虑在管道分支处阀门要尽可能地靠近,因为在泵一开一备或管线有轮流使用的情况下要尽可能地减少死角,以免频繁堵死管线（见附图：泵出口典型配管）。

3)水平管道必须设置坡度，其坡度不应小于千分之五，坡向下游的设备；管

线每6米设置拆卸法兰一对，用于打开清除管线内的沉积物。

4)配管设计应采用大半径弯头R=5D（或者更大），同时尽量减少弯头数量。

应选用45度斜三通，或者Y型三通,顺介质流向斜接，普通的90度三通

无法满足水煤浆高磨蚀性的要求。由于水煤浆高压、高黏度、高磨蚀等特性,要求阀门的密封性能较好,具有一定的开关速度，所以阀门应选用全通径的耐磨球阀。

5)工艺阀门、仪表阀门、流量计和相连接管道的直径应保持一致，避免直径

忽然缩小，在缩径处产生较高流速，造成对阀门、管件和管道的严重磨蚀。

如果工艺需要变径，尽量在阀门、仪表元件下游变径。附图是XX改造项目中水煤浆管线的配管，因送料管线由DN100扩大为DN150，而调节阀是利旧（DN100），因此需要在调节阀前变径。在正常设计中，需要尽量避免这种情况发生。

6)工艺阀门之后要保证一定的直管段。附图是XX项目压滤机进料和回流线

配管。由于回流线气动阀后直管段太短，且球阀直接与弯头连接，每次进料线与回流线切换的时候，高流速煤浆直接冲击弯管，导致回流管线震动厉害。时间过长，弯头也会受到严重磨蚀。

4.4取样点、排放点、仪表元件的设置：

1)取样点：水煤浆水平管道上的取样接口，应从主管的上面接出；垂直管道

上的取样接口应向上45度角接出，且根部阀到主管距离尽可能短。

2)排放点：由于水煤浆的特性，在配管设计时应尽量减少不流动区的出现，

所以尽量在其管道上不设置放空阀和排净阀。必须要设置时候放净管的接口应从主管道的侧面接出,且阀门尽量靠近主管。

在管系的液斗（最低点）处应设置排污短节,用法兰和法兰盖封堵,短节的设置要尽量短。

3)仪表元件：水煤浆管线上的爆破片、压力安全元件、安全阀( PSV) 及压

力仪表应安装在水煤浆管线上方且间距最短,以防止堵塞。温度计和压力

计的分支管道越短越好，且在水平管道上的温度计和压力计必须安装在管

道顶部，垂直管道上的接口应向上45度角接出，根部阀到主管距离尽可

能短。

4.5管道支架设计要点：

水煤浆管道比一般管道重，管道支架间距应取普通管道支架间距的1/3为宜，且由于水煤浆管道容易发生振动，需要根据配管情况，考虑减振措施，如采用减振架等。水煤浆输送泵采用计量柱塞隔膜泵，泵出口水煤浆管道均有不同程度的振动现象，尤其是高压煤浆泵出口管道振动比较严重。在应力计算时不仅要考虑管线的柔性,还要考虑管线的稳定性,在管线合适位置设置固定架和限位架。5．综述

管道的设计及管线布置时,不仅要考虑管道内介质的成分、温度、压力和各种组分特性,还要考虑某一管线在整个装置中的作用及其在开停车或正常生产过程中的使用情况,才能使管道布置更加合理,更贴近实际生产需要。本文通过对水煤浆的特性及其在输送时产生腐蚀原因的分析，结合工程设计中遇到的实际问题，简要探讨了输送水煤浆管线设计中的特殊要求和注意事项，希望能对同类工程设计起到借鉴作用。

主要参考文献：

（1）《现代煤化工技术手册》贺永德，2006

（2）《液体沿固体壁面滑移减租分析机理》霍国胜，2001

（3）《多元料浆气化制合成气技术》煤化工, 1998, (1)

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（7）