聚脲內襯管道的防腐蝕性能

(1.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，南京 210031；2.兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，鄒城272069；3.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590)

在礦井開采過程中,井下設備的可靠性和安全性至關重要，由于井下惡劣的工作環境，煤礦中管道系統的腐蝕失效問題得到廣泛關注。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，國內外對管道防腐蝕進行了大量的研究[2-4]，探索管道防腐蝕機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。

管道防腐蝕的關鍵技術之一是管道涂層技術[5]，管道涂層技術近年來不斷發展[6-7]。目前主要的管道內襯材料有高鉻鋼、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。由于高鉻鋼質量大、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運而生。

噴涂聚脲彈性體技術[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后，研制開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術，它是在反應注射成型(RIM)技術[11]的基礎上發展起來的，該工藝屬快速反應噴涂工藝，可在立面、曲面上噴涂十幾毫米厚的涂層而不流掛，突破了傳統環保型涂裝技術的局限性，該技術一問世，就得到迅猛發展。

本工作研究了新型聚脲-環氧雜化重防腐涂料內涂層施工工藝，對內襯聚脲-環氧雜化重防腐蝕涂層的直管道進行了在不同濃度物料工況下的磨損率數值模擬，同時對比了在同種工況下內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，以期為該技術的廣泛應用提供理論支撐。

1 管道數值模擬

1.1 建模與網格劃分

運用Solidworks三維軟件建立直管道的物理模型，直管道內徑為15.4 mm，長180 mm，見圖1。利用ICEM CFD軟件進行管道模型的網格劃分，生成六面體網格，網格單元為12 236個，網格劃分如圖2所示。

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

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

1.2 邊界條件設置

本工作中，連續相采用固液混合物料，選用mixture混合模型，湍流模型選用標準k-ε模型，研究物料濃度對直管道的磨損影響，設置進口速度為4.6 m/s，出口設置為壓力出口，連續相的壁面邊界條件設置為“No-Slip”壁面。選用水和石英砂的固液兩相混合物料。由于Fluent軟件中離散相的設置只適用于體積分數低于10%的混合物料[12]，故本工作中當選用質量分數不高于22%的物料(質量分數為6%、10%、14%、18%、22%)來計算物料濃度對直管道的磨損規律時，直接選用離散相沖蝕磨損模型；當物料的質量濃度高于22%時，采用實驗室試驗數據計算其磨損率，試驗時選用質量濃度為25%、30%、35%、40%、45%的固液混合物料。

2 模擬結果分析

2.1 濃度與磨損率關系

隨著物料濃度的升高，固相顆粒之間的撞擊變得頻繁，撞擊次數也會增加，即能耗增加。此時顆粒對管壁的沖擊作用就會降低，所以在Fluent軟件中，當物料的體積分數高于10%時DPM Erosion模型便不再適用。鑒于此，本工作先計算固相質量分數為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，計算結果如圖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：固相質量分數為6%時，直管道的最大磨損率為2.81×10-7kg/(m2·s)；固相質量分數為10%時，直管道的最大磨損率為3.80×10-7kg/(m2·s)；固相質量分數為14%時，直管道的最大磨損率為4.86×10-7kg/(m2·s)；固相質量分數為18%時，直管道的最大磨損率為6.26×10-7kg/(m2·s)；固相質量分數為22%時，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，石英砂顆粒的數量增多，對管壁的沖擊頻繁，造成管壁磨損嚴重。由圖3還可見：當固相濃度變化時，直管道的磨損位置主要集中在管道底部和管道進口位置。這主要是因為顆粒流入管道后能量發生損耗，石英砂顆粒的主運動方向為軸向運動，顆粒在進口位置攜帶能量最大，造成管道進口位置管壁的磨損嚴重。

為了觀察固相濃度變化時管道軸向位置的磨損率變化規律，取管道橫截面最低點的一條軸向線，以此說明管道軸向磨損率的變化規律，如圖4所示。圖5所示為固相體積分數低于10%時，固相質量分數與最大磨損率之間的關系。

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 固相質量分數與管道磨損率的關系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量分數的升高而增大。由圖4可見：隨著固相質量分數的升高，磨損率的波動范圍變大。這主要是由于固相的質量分數升高，顆粒群變得繁密，對管壁的沖擊作用加強，沿管道軸向位置，管道底部產生間隔性的沉積，顆粒沉積多的區域磨損較小，造成底部磨損率發生波動。

2.2 沖蝕試驗

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

(1)

式(1)中各系數采用數據處理軟件Origin8.0獲得，見表1。

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

采用表1中系數計算可得當固相質量分數為25%～45%時，固相質量分數與管道磨損率的直接關系，見式(2)。

(2)

式中：θ表示固相的質量分數，%。擬合曲線與實測數據(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 固相質量分數與管道磨損率的關系(試驗值)Fig.6 Relationship between solid phase mass fraction and pipe wear rate(test values)

由圖6可見：當固相質量分數低于22%時，管道的磨損率較低，低于1.0×10-6kg/(m2·s)。此時固相質量分數與管道磨損率近似為線性關系，隨著固相質量分數的增加，管道磨損率的增長幅度較小。這是因為雖然增大固相含量，顆粒數目增多，顆粒對管壁的沖擊次數也增多，但在該范圍內管道底部的顆粒群增長幅度不大。當固相質量分數為22%～35%時，隨著固相質量分數的增大，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沉積，造成磨損率的增長幅度變化不規則。當固相質量分數為35%～45%時，隨著固相含量的增大，磨損率降低。這是由于當顆粒數目增多到一定程度時，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。當固相質量分數為35%時，管道的磨損率最大，為2.22×10-6kg/(m2·s)，是本工況管道的磨損“危點濃度”。工業管道輸送中，應盡量避免在磨損“危點濃度”下輸送。

3 管道耐磨性對比試驗

為了測試管道內襯聚脲-環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，在施工現場進行對比試驗。該試驗裝置依據幾何相似和運動相似[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。試驗現場見圖7。

圖7 試驗現場Fig.7 Test site

如圖7所示，本試驗把聚脲管道、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形成閉路循環。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 試驗結果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 管道內澆外噴工藝設計

由表2可見：聚脲內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襯材料，對直管道內、外表面的聚脲防腐蝕耐磨層采用無模離心澆注技術。該技術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、不需要模具等優勢。

直管道離心澆注工裝，不僅可以實現管道內表面澆注聚脲耐磨層，同時還可以實現管道外表面噴涂聚脲防腐蝕層。現有的工程應用鮮少實現管道內外表面涂層同時施工，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，電機通過鏈傳動帶動內澆注頭，在定位滾輪軸承的約束下沿管道軸向直線進給，同時電機帶動三爪卡盤轉動，實現管道內表面處理。管道外表面同樣采用鏈傳動，電機帶動噴頭在光杠的約束下實現進給。添加變頻器實現轉速、進給速度的調節。圖8為管道內澆外噴一體化工裝結構圖。

5 結論

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

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

(2)試驗結果表明，內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，普通鋼管內襯聚脲-環氧雜化重防腐涂層可以有效提高管路系統的抗磨損性能和使用壽命。

(3)研制管道內澆外噴一體化工裝，實現直管道內、外表面同時噴涂，并形成了一套管道內外表面防腐耐磨的成型工藝。