(1.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210031；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，鄒城272069；3.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590)

在礦井開采過程中,井下設(shè)備的可靠性和安全性至關(guān)重要，由于井下惡劣的工作環(huán)境，煤礦中管道系統(tǒng)的腐蝕失效問題得到廣泛關(guān)注。最為常見的一種失效形式是輸送過程中造成的管壁腐蝕磨損失效，而對管道進(jìn)行防腐蝕施工是解決流體輸送過程中腐蝕磨損失效的重要手段[1]。近年來，國內(nèi)外對管道防腐蝕進(jìn)行了大量的研究[2-4]，探索管道防腐蝕機(jī)理和抗腐蝕措施對于降低管道腐蝕、延長管道壽命具有重要的意義。

管道防腐蝕的關(guān)鍵技術(shù)之一是管道涂層技術(shù)[5]，管道涂層技術(shù)近年來不斷發(fā)展[6-7]。目前主要的管道內(nèi)襯材料有高鉻鋼、陶瓷超和高分子量聚乙烯、聚氨酯、橡膠等。高硬度耐腐蝕材料需考慮材料較大的脆性，柔性防腐蝕材料需考慮材料與碳鋼基體的附著力和線膨脹系數(shù)。由于高鉻鋼質(zhì)量大、陶瓷易碎、高分子量聚乙烯附著性能差、聚氨酯耐水性不強(qiáng)且對施工條件要求苛刻[8]、橡膠材料抗撕裂性能差等，聚脲彈性體防腐蝕耐磨材料應(yīng)運(yùn)而生。

噴涂聚脲彈性體技術(shù)[9-10]是繼高固體份涂料、水性涂料、粉末涂料等低污染涂裝技術(shù)后，研制開發(fā)的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術(shù)，它是在反應(yīng)注射成型(RIM)技術(shù)[11]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該工藝屬快速反應(yīng)噴涂工藝，可在立面、曲面上噴涂十幾毫米厚的涂層而不流掛，突破了傳統(tǒng)環(huán)保型涂裝技術(shù)的局限性，該技術(shù)一問世，就得到迅猛發(fā)展。

本工作研究了新型聚脲-環(huán)氧雜化重防腐涂料內(nèi)涂層施工工藝，對內(nèi)襯聚脲-環(huán)氧雜化重防腐蝕涂層的直管道進(jìn)行了在不同濃度物料工況下的磨損率數(shù)值模擬，同時(shí)對比了在同種工況下內(nèi)襯聚脲的管道與普通鋼管和高錳鋼管的耐蝕性及耐磨損性，以期為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供理論支撐。

1 管道數(shù)值模擬

1.1 建模與網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Solidworks三維軟件建立直管道的物理模型，直管道內(nèi)徑為15.4 mm，長180 mm，見圖1。利用ICEM CFD軟件進(jìn)行管道模型的網(wǎng)格劃分，生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為12 236個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 直管道的示意圖Fig.1 Schematic diagram of straight pipe

圖2 直管道的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of meshing of straight pipe

1.2 邊界條件設(shè)置

本工作中，連續(xù)相采用固液混合物料，選用mixture混合模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，研究物料濃度對直管道的磨損影響，設(shè)置進(jìn)口速度為4.6 m/s，出口設(shè)置為壓力出口，連續(xù)相的壁面邊界條件設(shè)置為“No-Slip”壁面。選用水和石英砂的固液兩相混合物料。由于Fluent軟件中離散相的設(shè)置只適用于體積分?jǐn)?shù)低于10%的混合物料[12]，故本工作中當(dāng)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于22%的物料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、10%、14%、18%、22%)來計(jì)算物料濃度對直管道的磨損規(guī)律時(shí)，直接選用離散相沖蝕磨損模型；當(dāng)物料的質(zhì)量濃度高于22%時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其磨損率，試驗(yàn)時(shí)選用質(zhì)量濃度為25%、30%、35%、40%、45%的固液混合物料。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 濃度與磨損率關(guān)系

隨著物料濃度的升高，固相顆粒之間的撞擊變得頻繁，撞擊次數(shù)也會(huì)增加，即能耗增加。此時(shí)顆粒對管壁的沖擊作用就會(huì)降低，所以在Fluent軟件中，當(dāng)物料的體積分?jǐn)?shù)高于10%時(shí)DPM Erosion模型便不再適用。鑒于此，本工作先計(jì)算固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、10%、14%、18%、22%的水-石英砂固液兩相流對直管道的沖蝕磨損率，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

(a)6%

(b)10%

(d)18%

(e)22%圖3 不同濃度的固相沖擊下直管道沖蝕磨損率Fig.3 Erosion wear rates of straight pipe under the impaction with different concentrations of solid phase

由圖3可見：固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，直管道的最大磨損率為2.81×10-7kg/(m2·s)；固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，直管道的最大磨損率為3.80×10-7kg/(m2·s)；固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，直管道的最大磨損率為4.86×10-7kg/(m2·s)；固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時(shí)，直管道的最大磨損率為6.26×10-7kg/(m2·s)；固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%時(shí)，直管道的最大磨損率為8.05×10-7kg/(m2·s)。即隨著固相濃度的增加，直管道的磨損率增大。這是由于隨著固相濃度的增加，石英砂顆粒的數(shù)量增多，對管壁的沖擊頻繁，造成管壁磨損嚴(yán)重。由圖3還可見：當(dāng)固相濃度變化時(shí)，直管道的磨損位置主要集中在管道底部和管道進(jìn)口位置。這主要是因?yàn)轭w粒流入管道后能量發(fā)生損耗，石英砂顆粒的主運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S向運(yùn)動(dòng)，顆粒在進(jìn)口位置攜帶能量最大，造成管道進(jìn)口位置管壁的磨損嚴(yán)重。

為了觀察固相濃度變化時(shí)管道軸向位置的磨損率變化規(guī)律，取管道橫截面最低點(diǎn)的一條軸向線，以此說明管道軸向磨損率的變化規(guī)律，如圖4所示。圖5所示為固相體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大磨損率之間的關(guān)系。

圖4 軸向位置(30～150 mm)管道底部的磨損率分布Fig.4 Distribution of wear rates at the bottom of the pipe at axial position (30～150 mm)

圖5 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與管道磨損率的關(guān)系Fig.5 Relationship between solid phase mass fraction and pipe wear rate

由圖4、圖5可見：管道的磨損率隨固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增大。由圖4可見：隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，磨損率的波動(dòng)范圍變大。這主要是由于固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，顆粒群變得繁密，對管壁的沖擊作用加強(qiáng)，沿管道軸向位置，管道底部產(chǎn)生間隔性的沉積，顆粒沉積多的區(qū)域磨損較小，造成底部磨損率發(fā)生波動(dòng)。

2.2 沖蝕試驗(yàn)

采用十種固相濃度進(jìn)行管道的磨損試驗(yàn)。其中，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、10%、14%、18%、22%時(shí)為低濃度試驗(yàn)，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、30%、35%、40%、50%時(shí)為高濃度試驗(yàn)。同時(shí)對高濃度條件下的磨損率與固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系式進(jìn)行擬合，以彌補(bǔ)DPM Erosion磨損模型存在的只適用于計(jì)算體積分?jǐn)?shù)低于10%條件下管壁磨損率的不足，物料流速均為4.6 m/s。擬合的高斯函數(shù)公式見式(1)。

(1)

式(1)中各系數(shù)采用數(shù)據(jù)處理軟件Origin8.0獲得，見表1。

表1 式(1)中各系數(shù)Tab.1 Coefficient in equation (1)

采用表1中系數(shù)計(jì)算可得當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～45%時(shí)，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與管道磨損率的直接關(guān)系，見式(2)。

(2)

式中：θ表示固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)(見圖6)擬合度為0.945 83，擬合度較高。這表明擬和方程可以有效反映固相含量較高情況下，直管道的磨損率分布。

圖6 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與管道磨損率的關(guān)系(試驗(yàn)值)Fig.6 Relationship between solid phase mass fraction and pipe wear rate(test values)

由圖6可見：當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于22%時(shí)，管道的磨損率較低，低于1.0×10-6kg/(m2·s)。此時(shí)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與管道磨損率近似為線性關(guān)系，隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，管道磨損率的增長幅度較小。這是因?yàn)殡m然增大固相含量，顆粒數(shù)目增多，顆粒對管壁的沖擊次數(shù)也增多，但在該范圍內(nèi)管道底部的顆粒群增長幅度不大。當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%～35%時(shí)，隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，管壁的磨損率增長幅度較大。由圖6還可見：固相含量與管道磨損率為誤差較大的線性關(guān)系。這是由于隨著固相含量的增加，沉到管道底部的顆粒增多，對管壁的沖擊頻率加大。固相顆粒在管道底部隨機(jī)沉積，造成磨損率的增長幅度變化不規(guī)則。當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～45%時(shí)，隨著固相含量的增大，磨損率降低。這是由于當(dāng)顆粒數(shù)目增多到一定程度時(shí)，顆粒之間的撞擊增大，顆粒之間撞擊損耗的能量增多，造成顆粒對管壁的作用能降低。當(dāng)固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，管道的磨損率最大，為2.22×10-6kg/(m2·s)，是本工況管道的磨損“危點(diǎn)濃度”。工業(yè)管道輸送中，應(yīng)盡量避免在磨損“危點(diǎn)濃度”下輸送。

3 管道耐磨性對比試驗(yàn)

為了測試管道內(nèi)襯聚脲-環(huán)氧雜化重防腐蝕涂層的耐磨性能，模擬航道疏浚中粗砂工況，在施工現(xiàn)場進(jìn)行對比試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置依據(jù)幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似[13]的原理將一定濃度的物料通過渣漿泵從泵池輸送到串接在一起的各種類型的管道和彎頭，并形成閉路循環(huán)。試驗(yàn)現(xiàn)場見圖7。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 Test site

如圖7所示，本試驗(yàn)把聚脲管道、普通鋼管、高錳鋼管三種管道通過法蘭水平連接在一起，并利用輔助管道把三種直管道和渣漿泵串聯(lián)形成閉路循環(huán)。泵池中是沙子，石子、泥土的混合物料。每天開泵磨損8 h，持續(xù)40 d，三種管道的長度均為180 mm。通過測量、記錄管徑的變化確定管道的磨損量。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results

由表2可見：相同的工況下，聚脲管道的磨損率最低為0.63%，普通鋼管的磨損量最高為1.49%，高錳鋼管的磨損量為0.96%。聚脲管道的內(nèi)徑增加量最小、磨損量最小的主要原因是聚脲防腐蝕涂層具有較好的彈性和抗撕裂性能，可以吸收疏浚管道中大石塊顆粒的沖擊能量。

4 管道內(nèi)澆外噴工藝設(shè)計(jì)

由表2可見：聚脲內(nèi)襯管道具有更好的耐磨性，因此采用聚脲材料作為直管道的內(nèi)襯材料，對直管道內(nèi)、外表面的聚脲防腐蝕耐磨層采用無模離心澆注技術(shù)。該技術(shù)突破了采用模具施工的局限性，具有噴涂均勻、效率高、表面效果好、不需要模具等優(yōu)勢。

直管道離心澆注工裝，不僅可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面澆注聚脲耐磨層，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)管道外表面噴涂聚脲防腐蝕層?，F(xiàn)有的工程應(yīng)用鮮少實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)外表面涂層同時(shí)施工，直管道離心澆注工裝通過三爪卡盤固定短接管，加工管道裝配在短接管上，電機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)澆注頭，在定位滾輪軸承的約束下沿管道軸向直線進(jìn)給，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)三爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面處理。管道外表面同樣采用鏈傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)噴頭在光杠的約束下實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。添加變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)。圖8為管道內(nèi)澆外噴一體化工裝結(jié)構(gòu)圖。

5 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果表明，不同濃度的物料沖擊直管道時(shí)，管道均在進(jìn)口周向和底部出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，物料濃度越高，磨損率沿直管道軸向分布波動(dòng)范圍越大。

圖8 管道一體化工裝圖Fig.8 Integrated construction image of pipe

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)襯聚脲管道的抗磨損性能分別是普通鋼管和高猛鋼管的2.32倍和 1.49倍，普通鋼管內(nèi)襯聚脲-環(huán)氧雜化重防腐涂層可以有效提高管路系統(tǒng)的抗磨損性能和使用壽命。

(3)研制管道內(nèi)澆外噴一體化工裝，實(shí)現(xiàn)直管道內(nèi)、外表面同時(shí)噴涂，并形成了一套管道內(nèi)外表面防腐耐磨的成型工藝。