重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用

杏志峰

（新疆焦煤集團洗煤廠新疆烏魯木齊830025）

重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用

杏志峰

（新疆焦煤集團洗煤廠新疆烏魯木齊830025）

本文針對影響全重介選煤廠生產的管道磨損問題，筆者分別對管道磨損的原因、磨損的機理、磨損的重點部位進行了整理和分析，并從優化管道布置、細化操作工藝、采用抗磨技術、加強現場管理等方面提出解決途徑和改進意見，有較強的針對性、實效性和可操作性。

重介管道磨損抗磨

生產管道是選煤廠的重要組成部分。在全重介選煤廠中，生產管道的磨損不僅會造成廠房內跑、冒、滴、漏，影響生產環境，而且直接威脅系統穩定和安全生產，同時還增加了職工的勞動量及維修成本。因此，探索全重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用十分重要。

一、管道磨損原因

根據輸送系統和流體性質的不同，選煤廠的生產管道可分為重介質管道、煤泥水管道清水管道、循環水管道、旋流器供料管道、壓風管道、藥劑管道等。其中，磨損最嚴重的是重介質管道和旋流器供料管道。重介質管道輸送的流體是由磁鐵礦粉和水組成的液、固兩相重介質懸浮液。由于重介質管道中含有磁鐵礦粉，管道的磨損比其他管道更為嚴重。而旋流器供料管道輸送流體的成分更加復雜，是由磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、水組成的液固二相漿體，粒度不同、硬度各異，對管道的局部磨損相當劇烈。

二、管道磨損機理分析

管道磨損是一個復雜的過程，而且涉及的因素也很多。從形成機理來看，主要歸納為3類：

1.沖蝕磨損。在介質管道中，固體顆粒（磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、煤泥）以一定的速度，對管道的過流部件表面進行沖擊、研磨，造成材料流失，管材、管件、閥門等失效。大量試驗表明：在攻角（入射角）45°時沖蝕率最大，攻角60°時沖蝕率最小；沖蝕磨損還與沖蝕速度有關，當沖蝕速度較低時，這種碰撞摩擦較輕，隨流速增加，沖蝕率顯著增大，磨損速度急劇上升；流體中固體顆粒的濃度對磨損也有重要影響，磨損量正比于固體顆粒的濃度。

2.變形磨損。變形磨損主要是指固體顆粒與管壁表面進行的傾斜或平移摩擦而發生的磨損。影響磨損的因素有固體顆粒大小、硬度、形狀，流體的性質、黏度及管材質量等。一般來說，粒度越粗，硬度越大，形狀越不規則，管壁磨損就越嚴重，反之，磨損較輕。

3.疲勞磨損。由于管壁表面疲勞應力（沖擊或振動）引起表面裂紋或鱗屑脫落所致。對于疲勞磨損來說，主要取決于管壁表面的強度和韌性，同時，也與流體顆粒的級配、濃度、流速、沖擊角度有關。若顆粒沖擊角度大，使用軟的韌性材料有利，沖擊角度小，使用硬的韌性材料有利。根據選煤廠實際情況，大部分漿體管道輸送物料時，一般沖擊角不大，可選用硬度大的韌性材料。

三、管道磨損部位分析

管道磨損現象包含著許多復雜的因素，是多重機理綜合作用的結果。生產實踐表明，不同機理作用造成管道磨損程度和磨損部位不同。在重介質管道中，磨損比較嚴重的部位有：斜管、水平管的底部，法蘭、焊口連接處，管道彎頭，管道變向、變徑接口處的管件等。

1.斜管、水平管的底部。無論是由磁鐵礦粉和水組成的重介質懸浮液，還是由磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、水組成的液固二相漿體，由于水的黏度較低，所以流體在管道中的運行狀態主要有2種：層流和紊流。當流體流動速度小于下臨界速度，流體雷諾數小于下臨界雷諾數時，流體狀態為層流，流體中的重固體顆粒開始沿管道底部滑動，從而對管道底部產生磨損；當流體流動速度大于下臨界速度，流體雷諾數大于下臨界雷諾數時，流體狀態為紊流。這時，流體中的固體顆粒呈懸浮狀態，減少了對管道底部的磨損，但對于沿流體方向或過流面改變的地方，將產生劇烈的渦流、撞擊，進而加劇此處管件的局部磨損，如彎頭、變徑口、法蘭等處。

2.法蘭、焊口連接處。檢查現場拆卸下來的管道、管件，發現管道法蘭、焊口連接處的損壞呈明顯蜂窩狀，說明流體在此產生強烈的旋渦，流體中的顆粒對此處進行了撞擊和切削。一般來說，法蘭、焊口連接處的磨損程度取決于該處的間隙大小，間隙越大，磨損程度越嚴重。

3.管道彎頭。流體在管道彎頭中的流動比較復雜，不但有主流，而且有與之垂直的二次流，基本上是兩者的疊加，即雙向扭轉在內壁側匯合的二重流。二次流是由于管道中心部位的流速大于管壁附近的流速，加上受較大的離心力，壓力梯度不足而產生的。斷面中心部位較大動量移向外壁側，而內壁較小的動量轉向中心，形成由內向外的雙向二次流，從而使外壁側的流速遠高于內壁側，造成彎頭外壁側局部磨損、失效。

4.管道變向、變徑處的管件。當管道變向、變徑時，流體不是沿著原管壁方向流動，而是改變流動方向。此時，由于慣性、離心力或向心力的作用，在局部形成旋渦區。旋渦區的固體顆粒對管壁產生摩擦或沖蝕，從而造成管件的局部磨損。

四、管道磨損的解決措施

筆者在學習業內外同行經驗的基礎上，結合實際情況，通過對管道磨損機理、磨損部位的分析研究，提出具體解決措施。

1.優化管道布置，降低管道磨損。（1）優化管道布置。布置原則為：①符合工藝設備的安裝、運輸、操作、起吊及維修要求；②盡可能做到靠梁柱、走直線、管道短、彎頭少；③減少管道的變向、變徑、接頭、分流、合流布置，在需要改變或調節處設置管件和閥門，管道的匯合或分流處應順著流體方向連接；④根據管道的強度和剛度要求，合理布置支（吊）架；⑤根據輸送物料的性質和要求，選擇好重介質管道的走向及坡度。

（2）做好變向處理。介質管道作為重介選煤廠最主要的生產管道，現實中的變向是不可避免的。管道變向處理方法主要有以下幾種：①選用圓球形彎頭，降低流速和壓力，減少對彎頭的摩擦系數，延長彎頭使用壽命；②在管道改向設計時，盡可能使彎頭的弧度加大。彎頭的弧度與管徑的比值越大，管道彎頭的耐磨性越強；③使用三通作為管路改向的管件，可延長管道壽命；④避免管道變向造成攻角（入射角）45°和90°的最劇烈沖蝕磨損。

2.細化操作工藝，提高安裝質量。（1）管道安裝。按照管道設計圖紙的要求和施工規范，做好管道、管件、閥門和設備的連接，形成一個密閉的流體輸送系統：①做好管道的檢查與清洗，防止管材存在砂眼、裂紋、重皮、夾層、嚴重銹蝕等缺陷，對一些特殊要求的管道，還需進行清洗或脫脂處理；②嚴把下料和切斷關，嚴格按照設計圖紙尺寸或現場測量的實際尺寸進行下料，管道切口應平整無毛刺，斜度不超差；③根據設計要求，做好管道地面預制、分段吊裝、有效固定和附件安裝等，尤其要加強管道穿墻壁、穿樓板和穿水池的施工質量；④管道的走向、坡度、標高及管道與閥門、彎頭、設備的連接要符合設計要求。

（2）法蘭連接。在選煤廠管道連接中，以法蘭和焊接連接為主。法蘭連接是將2個法蘭分別固定在需要連接的2個管端上，然后用螺栓固定。為使法蘭連接處嚴密，應根據法蘭性質和輸送介質的壓力和溫度，在法蘭密封面之間安裝不同的墊片。對于管道法蘭盤連接處的磨損，解決辦法是按照操作規范，改進和優化操作工藝，提高安裝、檢修質量，盡量減少接口處的間隙。在實際操作中應注意：①按照管道管材和輸送介質的性質、壓力，選擇好法蘭、螺栓、螺母、墊片等，包括材質、尺寸、硬度、光潔度等；②法蘭與管道焊接時，應盡量使法蘭與管道密封面平齊，減少因密封面不齊造成的磨損，特別是復合耐磨管道法蘭處內襯的鑲嵌質量影響最大；③必須清除法蘭表面及密封面上的鐵銹、油污等雜物，確保法蘭密封面平整光潔，不得有毛刺和徑向溝槽；④法蘭安裝時，2個法蘭平面必須同心且平行，并垂直于管道中心線，螺栓孔也應保持同心，擰緊螺栓時應對稱、均勻地進行；⑤法蘭墊片應安裝在法蘭中心位置，不能用雙墊和斜墊。

（3）焊接連接。焊接連接是管道連接的主要形式，尤其是在金屬管道的連接中占有極為重要的地位，且應用廣泛。由于焊接連接具有牢固耐久、接頭強度高、嚴密性好、成本低、后期維修量小的特點，多被工業企業選用。管道焊接的方法有手工電弧焊、氣焊、手工氬弧焊、埋弧自動焊、埋弧半自動焊等。其中，手工電弧焊和氣焊在施工現場應用最為普遍，且操作工藝成熟。

3.采用抗磨技術，提升抗磨水平。在重介質選煤廠，管道磨損是不可避免的。要從根本上解決管道磨損問題，必須采用新的抗磨技術，研究開發新的耐磨材料，最終達到抗磨的目的。隨著重介質選煤業的發展，各種耐磨管材的開發、研制也取得重大突破和快速發展。目前使用較多的耐磨管材有耐磨鑄鋼管、超抗磨管、陶瓷內襯復合管、鋼-鋼復合管、聚氨酯鋼橡復合管、鑄石管、超高分子聚乙烯管等。這些管材均適合于磨損嚴重的重介質管道，特別是濃介質管道和合格介質管道。與此同時，還要選用耐磨彎頭、耐磨管件、耐磨閥門等。

（1）鑄石管。只能在大直徑管道內使用。優點是耐磨性能強、機械強度高、抗沖擊韌性好；缺點是鑄石層厚管道笨重，粘貼技術要求高，鑄石間隙大、易脫落。

（2）耐磨鑄鋼管。采用中頻感應電爐冶煉、離心鑄造工藝等新技術加工而成。優點是材料均質，耐磨、耐熱、耐腐蝕性好，易于焊接；缺點是因離心鑄造，表面相對粗糙，影響抗磨性。

（3）復合管。又稱襯里管，管壁由2種不同材料組成，外層是高強度的金屬材料，內層是耐磨損、耐腐蝕的金屬或非金屬材料，二者經特殊工藝處理后緊密結合在一起。根據襯里材料的不同，復合管可分為襯陶瓷管、襯鉛鋼管、襯塑鋁管等。優點是抗磨性能好、強度高、阻力小、重量輕等；缺點是怕碰撞，施工技術要求高。

（4）超高分子聚乙烯管。優點是抗沖擊、耐磨損、重量輕、阻力小、易連接（熱熔和電熔）；缺點是耐熱性差、剛度低。

4.加強現場管理，延長管道壽命。除上述措施外，還要做好以下工作：①做好管道的檢驗和試壓工作。選煤廠生產管道輸送的介質，一般是無毒流體，大部分管道只做強度試驗和嚴密性試驗即可；②做好管道除銹、防銹、防腐、防凍等維護工作，確保管道完好；③做好防堵、防漏工作，從源頭上防止大塊物料、雜物，特別是金屬異物，如螺栓、鋼絲、鋼板進入流體，以減少對管壁的沖擊磨損，對于襯里用鑄石、陶瓷、塑鋁等復合管材尤為重要。此外，管道局部磨漏時可采取臨時“補丁”予以加強；④做好管道翻身轉向工作，斜管、水平管等直管在運行一段時間后，可旋轉管道的角度，使各部位磨損均勻，延長管道使用壽命。

五、結束語

通過對全重介選煤廠管道抗磨損技術的研究與應用，從理論上剖析了管道磨損機理，有利于在技術上進行改進；查找了管道磨損的重點部位，有利于在安裝、使用中加以預防。重點從抗磨技術改進、施工工藝完善、耐磨管材應用、現場技術管理等方面提出了管道抗磨的對策措施和改進意見，有較強的針對性、實效性和可操作性。但對不同管材磨漏的后續處理、新型抗磨管材的推廣和改進未能提出詳細建議，有待今后深入研究和探索。

［1］宮偉，李智超.涂層磨損測試方法與環氧樹脂耐蝕磨性能研究［J］.熱固性樹脂，2005，20（1）：50-52.

［2］李合群，高亞平.中國第一座全重介質選煤廠的生產實踐［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2010.

［3］中國煤炭加工利用協會.選煤廠管道閥門與泵的安裝使用與維護［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2006.