超高分子量聚乙烯工程管道在浆体输送中的推广与应用

    莱钢集团山东东方管业有限公司，是莱钢实施“优化并适度发展钢铁主业，大力发展非钢产业，推进资本运营”战略，重点开发超高分子量聚乙烯新材料应用研究、开发、生产、销售、服务一体化的高新技术企业。专业生产超高分子量聚乙烯管材、复合管材、板材、异型件及高耐磨含油尼龙制品。企业是目前国内唯一拥有超高分子量聚乙烯四大系列产品生产技术，并具备配套设施研制、开发、生产制造及管道工程设计、施工安装能力的企业。
超高分子量聚乙烯（UHMW—PE）工程塑料是指粘均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯（PE），极高的相对分子质量，赋予了其超凡的使用性能，它以极其优异的耐磨损、耐冲击、耐腐蚀、自润滑等综合性能，被称为“令人惊异的塑料”，而以此为原料生产的超高分子量聚乙烯工程塑料管道则集中了各种塑料管道的优点：耐磨损，抗冲击，自润滑，耐腐蚀、耐低温、不粘附、不吸水、卫生无毒等，是一种理想的工程管材，被国内冶金、矿山、电力、石油化工等企业广泛采用。
一、 管道特性
超高分子量聚乙烯工程塑料管道适应输送水质流体、浆体、粉末、固体颗粒等多种介质，许多传统金属管道难以解决的难题，在超高分子量聚乙烯管道面前都能够迎刃而解。它以极其优异的耐磨损、耐冲击、耐腐蚀、自润滑等综合性能，在各行各业得以广泛应用。
    1、高耐磨性：采用M-2000型磨损实验机进行实验，在与45#钢轮对磨时，其磨损量很小，在100N，20min的条件下只有0.5mg。这种优良的耐磨性是其他工程塑料无法比拟的，甚至超过某些金属。
2、轻质性：超高分子量聚乙烯工程塑料管道的独特分子结构，使其具有质轻的优点，单位管长仅为钢管重量的八分之一，使装卸、安装更为方便。
3、抗冲击性：其抗冲击强度列塑料之首，是PC的2倍、ABS的5倍，能够在液氮温度（-196℃）下保持特性。
4、抗老化性：由于超高分子量聚乙烯工程塑料性质稳定，因此其产品具有良好的抗老化性，日照下50年不易老化。
5、化学稳定性：实验表明，超高分子量聚乙烯的耐化学药品性能非常优异，除强氧化性酸液（浓硫酸、浓硝酸、氢氟酸、王水等）和部分有机溶剂（萘溶剂）外，与其他腐蚀性介质均不发生反应而变化。将超高分子量聚乙烯式试样置于20℃和80℃的80种溶液中浸渍30 d，外表无任何腐蚀现象，其他物理性能也无明显变化。
6、优良的耐低温性：在液氦温度（-269℃）下仍具延展性，其主要特征如耐磨损、耐压性等保持不变。
7、优良的抗内压强度、耐环境应力开裂性、抗快速开裂性。其原因在于超高分子量聚乙烯工程塑料的分子质量高达150万以上，其分子质量越高，分子链越长，晶片间的系带分子数越多，耐环境开裂性愈好。同时由于分子链的运动困难，不易生成大的球晶和形成好的序态，表面能就越大，破裂强度也就越高。其较高的粘均分子量也是保证较高的抵抗快速能力的关键因素。
8、经济性：超高分子量聚乙烯工程塑料管道安装方便，采用法兰或电热熔焊连接工艺，安全可靠，快捷简便，无需采取防腐措施，安装省工省力，大幅度降低了安装费用。同时选用超高分子量聚乙烯工程塑料管道，又因其磨擦系数极低，仅为0.07-0.11，水头损失小，其内径设计可比钢管减小约15%，而且比钢管输送效率提高20%左右，比钢管、陶瓷复合管节能20%左右。综合性能对比，经济效益是钢管的6倍以上。
二、 管道在各个行业中的应用
    鲁南矿业公司选矿厂年处理量90万t，尾矿输送浓度17.15%，输送干矿量46万t，矿石性质复杂，为提高精矿品位，三段闭路磨矿、三段平面、高频振动细筛分级、八道磁、重联合选别、最终精矿—200目90%以上，工艺流程复杂，管道用量大，磨损严重。特别是矿石中含有高岭土等矿泥易粘附堵塞管道。为确保正常生产减少因管道造成的开停车时间，该公司工程技术人员一直进行着不间断的探索与尝试。因其通廊内环境潮湿，钢管腐蚀严重，虽采用普通高密度塑管代替钢管解决了腐蚀问题，但管道又不耐磨，使用效果一直不够理想。自1999年底采用了莱钢集团山东东方管业公司生产的超高分子量聚乙烯工程塑料管道，解决了生产当中磨损、腐蚀、堵矿等问题。超高分子量聚乙烯工程塑料管道质轻、柔性好，便于人工操作；在产量大、任务紧、停车检修时间短、管道更换量大的情况下应用，大大缩短了工期，减少了人力物力，提高了工作效率。
2001年下半年，鲁南矿业公司选矿厂进行了高扬程双线尾矿输送改造工程，安装运行两年多来，效果非常好。工程双线全长为3.9Km，运行压力为1.6Mpa。选用的是莱钢集团山东东方管业公司生产的超高分子量聚乙烯工程塑料钢塑复合管道，内层为256×8 mm超高分子量聚乙烯工程塑料管道，利用了此管道的耐磨性，摩擦阻力系数小，不粘附性好，耐冲击、自润滑，耐环境应力、开裂性好，抗内压强度高等特点。外层采用了直径273×6 mm的螺旋焊管作为耐压层，可将整条管线的耐压等级提高到高压力输送。更适应于长距离野外输送，防止外力破坏作用，拓宽了应用领域。全线采用了法兰连接方式，法兰的焊接、管道复合全部采用了工厂化生产，使管线安装又快又标准。2002年3月8日双线一次性试车成功。
   本次改造设计输送矿浆量为320m3/h，输送扬程168m，垂直输送高度为100m。管道内径为φ256mm，总长度为3.9km。改造后试车一次成功，尾矿输送由一级泵站取代原4级泵站，节能降耗效果非常显著。
具体经济效益：
A、 节电：原有尾矿系统2#—5#泵站总装机功率627KW，运行开动功率为478.5KW，改造后采用两台水隔离矿浆泵，装机功率460KW，运行功率为230KW，电费按0.47元/度计算，节电为[0.47×（478.5-230）×330×24×0.8]/10000=73.9万元。
B、 节人工：去掉3#、4#、5#泵站后，减少操作工人9人，每人每年按1.8万元计，节省人工费16.2万元。
C、 备件维护费用：两年多的运行表明，管道的维护费用基本没有，阀与泵的备件维护费用，两个方案基本持平。
D、 折旧：原尾矿系统2#—5#泵站设备总值20万元，管道总值73万元；新系统设备总值141万元，管道总值143万元。设备折旧按7年计算，管道折旧按9年计算，改造后比改造前多提折旧为（141-20）/7+（143-73）/9=25万元，每年净效益=73.9+16.2-25.1=65万元，运行至今净效益65×2.5=162.5万元。
超高分子量聚乙烯（UHMW—PE）管，在鲁南矿业公司选矿厂水管道、浆体管道，采矿场的压风管道、排水管道已普遍使用的有直径325×15mm、273×12mm、219×10mm、159×10mm、110×10mm，无缝钢管、铸铁管等正在逐步淘汰。
莱芜铁矿是山东省内有名的大水矿山，采矿必须先治水，而采矿以后为了保证治水效果并确保地表不塌陷，必须用充填料充填采空区以支撑采空区顶板。莱芜铁矿从1992年开始井下填充，就填充管道的选择他们尝试了多种材料，首先选用了一种普通塑料钢丝管，这种管道的主要优点是便于井下安装，不需专门做弯管，最大缺点是不耐磨，一般用不了三个月就会将管壁磨透，而一旦磨透就会跑浆，造成生产现场的巷道充满充填料浆，需要投入人力和时间进行巷道清理，严重影响了正常生产。后来他们改用了无缝钢管，由于它的磨透是先出现漏浆小眼，易于及时处理更换，因此克服了大面积跑浆现象，但其缺点是比较笨重，井下安装不方便，且一般只能使用6个月。再后来，在井下安装使用了一种高密度耐磨钢塑复合管，这种管道比较耐磨，使用寿命长，但安装极不方便，必须依巷道转弯量身定做弯管，且价格昂贵，每米管道价格在400元以上，由于钢管与高密度塑料是复合形成的，一旦内壁的高密度塑料磨坏就会起皮造成堵管，而堵管会造成充填料浆在管道内的凝固，就造成了处理堵管的工作量大、时间长的问题。。
     2001年，莱芜铁矿开始使用山东东方管业公司生产超高分子量聚乙烯工程塑料管道。实际使用证明，超高分子量聚乙烯工程塑料管道彻底弥补其他几种管道的缺陷，寻耐磨、轻便、经济实用，两名工人即可在井下展开安装施工，搬运方便，且超过8米的巷道转弯不必专门制作弯管，可任意随巷道转弯固定，至2001年10月份莱芜铁矿完成2.8万立方米水泥河沙充填料浆，与超高塑料管道串联并用的无缝钢管已进行了一次更换，而超高塑料管道磨损经称重显示，其磨损量仅4.85%，如按磨损30%进行管道更换计算，超高分子量聚乙烯工程塑料管道使用寿命可达3年以上，相当于无缝钢管的6倍以上，对企业而言，其带来经济效益是不言而喻的，至今，他们在井下扩充中也一直使用。
利用其优异的耐磨性、耐腐蚀性和不粘附性，超高分子量聚乙烯工程管道在热电厂的粉煤灰输送、氧化铝厂的赤泥输送发挥着不可替代的作用。在原油、燃气、天然气、液化气输送上将有着良好的效果。其优良的耐冲击性、耐腐蚀性、耐环境应力开裂性、抵抗快速开裂能力、柔性好对于机械振动、地基沉降或发生地震，也能承受一定程度的冲击和变形而不致断裂，因此具有较高的长期安全性。耐低温性极优、可抵抗冷冻破坏具有独特的低温冲击韧性，在寒冷环境和意外冲击力的作用下不会发生脆性破裂，因此在低温环境下的西北、东北等寒冷地区应用该管道输送各种物料的安全性是最为有利的。特别是在南方地区，地下水等其它腐蚀因素对钢管的腐蚀严重，若使用钢管既增加了防腐的费用，其使用寿命和管道的安全性又受到严重影响。而利用超高分子量聚乙烯（UHMW----PE）管道代替钢管在压力小于1.6MPa以下的燃气下游管网应用将发挥出非常好的作用。
三、结语
   几年来，山东东方管业公司一直致力于超高分子量聚乙烯的改性研究，除通过对现有机械进行特殊设计外，还采用纳米填料及两种以上填料改善超高分子量聚乙烯的流动性，改善其加工性能，通过不断完善已有的材料改性方法，开发新的技术，使其具有更多优良性能，能够更加广泛的应用于各个领域。