鋼管雙面環(huán)氧噴涂層成形過(guò)程熱傳遞數(shù)值模擬

楊芳兒, 高蔓斌, 楊偉方, 陳文豪, 鄧世林, 鄭曉華

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江金洲管道工業(yè)有限公司，浙江 湖州313000)

隨著工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，對(duì)流體輸送用鋼管的需求和質(zhì)量要求也越來(lái)越高。通過(guò)在鋼管表面噴涂一種或幾種涂層，能夠有效提高鋼管的耐蝕性能，從而獲得較長(zhǎng)的使用壽命。雙面環(huán)氧涂覆鋼管(基管材質(zhì)Q235B)因其優(yōu)良的耐蝕性和良好的衛(wèi)生性能，受到了管道建設(shè)者們的高度重視，但目前國(guó)內(nèi)大多集中于中、小口徑涂覆管的生產(chǎn)[1-2]。大口徑雙面涂覆鋼管的體積和重量通常都較大(直徑可達(dá)1.2 m，長(zhǎng)度可達(dá)12 m)，鋼管內(nèi)外壁在噴涂環(huán)氧涂層時(shí)，因外壁環(huán)氧涂層和內(nèi)壁環(huán)氧涂層的固化劑成分及用量、成型特性存在顯著差別，因而需要進(jìn)行大量的研發(fā)工作，且存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、工作量大、能耗高、試驗(yàn)成本高的缺點(diǎn)[3]。

近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)應(yīng)用的日益成熟，有限元模擬分析金屬塑性變形過(guò)程中的流動(dòng)規(guī)律在生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。將有限元分析法和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)，有利于推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)值模擬與仿真技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)于縮短研發(fā)周期、降低試驗(yàn)成本、提高優(yōu)化水平具有普遍的工程意義[4-11]。基于此，筆者采用DEFORM-3D有限元模擬軟件對(duì)雙面涂覆鋼管的基管與環(huán)氧涂層之間的傳熱過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，分析鋼管、內(nèi)外環(huán)氧樹(shù)脂涂層的溫度場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化，探索鋼管經(jīng)一次加熱實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外涂層的噴涂和固化工藝的可行性，并與試驗(yàn)法獲得的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。該工作既可大幅度降低工藝試驗(yàn)的工作量和能源消耗，也可為大口徑涂覆鋼管生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供技術(shù)參考，對(duì)縮短研發(fā)周期具有十分積極的意義。

1 雙面環(huán)氧涂覆鋼管試件的實(shí)驗(yàn)制備

雙面環(huán)氧涂覆鋼管因服役環(huán)境的要求，外壁環(huán)氧樹(shù)脂的固化溫度比內(nèi)壁環(huán)氧樹(shù)脂的高，因此在一次加熱涂覆工藝中，首先要在初始加熱溫度下的鋼管(基管)外壁噴涂環(huán)氧樹(shù)脂涂層，待溫度降至合適范圍時(shí)再對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂涂層的噴涂，固化冷卻后即可獲得雙面涂覆鋼管。其主要工藝參數(shù)包括：鋼管的初始加熱溫度，外壁噴涂工藝溫度、時(shí)長(zhǎng)及送粉量、固化溫度和時(shí)間，內(nèi)壁噴涂工藝溫度、時(shí)長(zhǎng)及送粉量、固化溫度和時(shí)間等。研究表明：外壁環(huán)氧涂層的成型溫度控制在190～ 230℃、內(nèi)壁環(huán)氧涂層的成型溫度控制在170～210 ℃時(shí)，能保證雙面環(huán)氧涂層的性能滿足技術(shù)要求。

本實(shí)驗(yàn)采用外徑1 200 mm×壁厚12 mm的大口徑基管進(jìn)行涂覆試驗(yàn)。通常，長(zhǎng)度6 m的涂覆鋼管便于運(yùn)輸，用量相對(duì)較大，但工藝試驗(yàn)時(shí)試件的尺寸不宜太大，故選取基管的長(zhǎng)度為800 mm。同時(shí)，在基管的兩端各裝夾兩組隨行平板試片(長(zhǎng)100 mm ×寬100 mm ×厚8 mm)，用于涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定基管的初始加熱溫度為250 ℃。基管及平板試片經(jīng)除油、除銹、鈍化等預(yù)處理后達(dá)到GB/T 8923.1—2011中規(guī)定的Sa 2.5級(jí)；然后將基管置于保護(hù)氣氛加熱爐中加熱至250 ℃并保溫1 h，隨后立即送入噴涂工位，并用粉末噴涂機(jī)在基管的外表面噴涂環(huán)氧樹(shù)脂粉末(4把噴槍，送粉量4×420 g/min，轉(zhuǎn)速2 r/min，噴涂時(shí)長(zhǎng)30 s)，環(huán)氧粉末在熱量的作用下發(fā)生膠化、固化反應(yīng)形成環(huán)氧樹(shù)脂涂層，最終厚度約0.45 mm。期間，利用FLUKE563型紅外測(cè)溫槍(距離系數(shù)D∶S=50)測(cè)量基管內(nèi)壁(中間某噴槍正對(duì)位置的背面)的溫度，每隔5 s記錄一次溫度數(shù)據(jù)，待內(nèi)壁溫度降至220 ℃時(shí)，立即在基管內(nèi)壁噴涂環(huán)氧粉末，(送粉量4×332 g/min，其他參數(shù)與外壁的相同)，涂層最終厚度約為0.45 mm。環(huán)氧樹(shù)脂涂層在基管表面冷卻后形成致密的保護(hù)膜。試驗(yàn)場(chǎng)地的溫度約為20 ℃，大氣相對(duì)濕度約為55%～65%。所使用的環(huán)氧樹(shù)脂粉末為市售雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合SY/T 0315—2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1中黑點(diǎn)所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的基管內(nèi)壁溫度，可以看到：經(jīng)過(guò)55 s之后，基管內(nèi)壁從初始溫度降至221 ℃，60 s時(shí)已降至218 ℃，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)選在56 s時(shí)刻開(kāi)始內(nèi)壁噴涂。圖2所示為隨行試片經(jīng)噴涂后獲得的雙面涂覆鋼板，其表面平整、致密，無(wú)裂紋、氣泡等缺陷，表面質(zhì)量良好。對(duì)涂層的固化度、硬度、耐磨性、耐蝕性、表面形貌等各方面進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：內(nèi)、外壁環(huán)氧涂層性能良好，滿足技術(shù)要求。

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂涂覆的鋼板樣品Fig.2 Epoxy coated steel plate samples pipe with time

2 傳熱過(guò)程的有限元模擬分析

模擬時(shí)，選取尺寸為外徑1 200 mm×壁厚12 mm×長(zhǎng)度6 000 mm的基管作為研究對(duì)象，利用有限元方法模擬計(jì)算雙面涂覆鋼管涂層成型過(guò)程中的熱傳遞及溫度變化趨勢(shì)。為節(jié)約計(jì)算資源和縮短求解時(shí)間，利用基管的對(duì)稱性選取了長(zhǎng)度為3 000 mm、橫截面扇形角為30°的部分作為計(jì)算模型。

2.1 有限元模型的建立及邊界條件設(shè)定

借助于三維設(shè)計(jì)制圖軟件SolidWorks建立鋼管的幾何模型，并將模型的幾何信息轉(zhuǎn)化為DEFORM軟件可使用的數(shù)據(jù)格式(.STL)，然后導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中進(jìn)行物模型構(gòu)建，所有的參數(shù)均依照實(shí)際工況選取。

2.1.1 坯料的選取及有限元網(wǎng)格的劃分

坯料尺寸：外徑1 200 mm×壁厚12 mm×長(zhǎng)度6 000 mm基管的1/24模型，材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。劃分4×105個(gè)網(wǎng)格，基管起始溫度設(shè)定240 ℃。

2.1.2 內(nèi)外涂層參數(shù)及邊界條件設(shè)定

內(nèi)、外涂層按0.45 mm的厚度覆蓋在基管的內(nèi)、外側(cè)，材質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂。由于材料庫(kù)中沒(méi)有環(huán)氧樹(shù)脂材料，需要單獨(dú)導(dǎo)入[12-16]。涂層全都劃分4×105個(gè)網(wǎng)格，采用相對(duì)尺寸，比率為2，起始溫度設(shè)為20 ℃，環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃。通過(guò)一系列的設(shè)置，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化，模擬時(shí)直接將整個(gè)環(huán)氧涂層與基管表面接觸，而忽略涂層面積在實(shí)驗(yàn)中呈線性增加這一事實(shí)，且外涂層在最初時(shí)刻就覆蓋在基管外壁上，而內(nèi)涂層則在基管內(nèi)壁溫度降至210 ℃ 時(shí)立即覆蓋在基管內(nèi)壁上。此外，也不考慮涂層固化時(shí)的放熱效應(yīng)。

圖3 基管及涂層網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of steel pipe and coating

2.2 計(jì)算結(jié)果及討論

圖4，5分別為基管外壁和內(nèi)壁環(huán)氧樹(shù)脂溫度分布云圖。由圖4，5可以看出：環(huán)氧樹(shù)脂涂層溫度總體分布均勻，兩端降溫速度較中間部位要快，當(dāng)內(nèi)壁環(huán)氧樹(shù)脂涂覆后，外環(huán)氧涂層冷卻速度大于內(nèi)層環(huán)氧樹(shù)脂。

圖4 外壁環(huán)氧樹(shù)脂涂層溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution nephogram of epoxy resin coating on outer wall

圖5 內(nèi)壁環(huán)氧樹(shù)脂涂層溫度分布云圖Fig.5 Temperature distribution nephogram of epoxy resin coating on inner wall

內(nèi)、外壁環(huán)氧樹(shù)脂涂層吸熱和基管放熱的熱量變化曲線如圖6所示，可以計(jì)算出外層環(huán)氧樹(shù)脂吸收的熱量為1.9×108J，內(nèi)層環(huán)氧樹(shù)脂吸收的熱量為7.5×107J，與熱量計(jì)算公式計(jì)算出的結(jié)果接近。

圖6 基管及內(nèi)外環(huán)氧樹(shù)脂熱量變化曲線圖Fig.6 Heat transfer curves for steel pipe and epoxy resin coatings on inner and outer wall

從計(jì)算結(jié)果中提取出基管及環(huán)氧樹(shù)脂涂層的溫度，它們隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。圖7中a曲線代表起始溫度為250 ℃的基管裸露在空氣中自然冷卻時(shí)的溫度變化，該曲線通過(guò)模擬計(jì)算基管(起始溫度250 ℃)在不進(jìn)行表面噴涂的自然冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)獲得。可見(jiàn)，如果在30 s的外壁噴涂工藝時(shí)間內(nèi)不對(duì)外壁進(jìn)行噴涂，基管溫度將降至233 ℃(圖中T1點(diǎn))，也即比起始溫度下降17 ℃。事實(shí)上，外壁噴涂時(shí)整個(gè)表面涂層是在30 s內(nèi)勻速形成的，也即基管的實(shí)際降溫幅度近似為一半(平均值，忽略其他因素的影響)，即8.5 ℃。因此，模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定基管的起始溫度為240 ℃相對(duì)合理，比較接近實(shí)際情況。圖7中b曲線代表基管涂覆之后其內(nèi)壁的溫度變化。可見(jiàn)基管內(nèi)壁從起始溫度降至210 ℃所需的時(shí)間為60 s(圖中T2點(diǎn))。圖7中c曲線代表基管外壁環(huán)氧涂層的溫度變化。可以看出外壁環(huán)氧樹(shù)脂在與基管接觸的前5 s內(nèi)大幅度吸熱，溫度最高達(dá)到223 ℃，隨后在空氣中冷卻55 s后降至200 ℃，因此外壁環(huán)氧涂層的最短固化時(shí)間為55 s(實(shí)際噴涂試驗(yàn)中從開(kāi)始噴涂到涂層降至200 ℃所經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)約為85 s)，能夠滿足外環(huán)氧涂層的固化技術(shù)條件。圖7中d曲線代表基管內(nèi)壁環(huán)氧涂層的溫度變化。可以看出內(nèi)壁環(huán)氧樹(shù)脂的吸熱時(shí)間是9.8 s，最高溫度達(dá)到193 ℃，50 s后冷卻至170 ℃(圖中T3點(diǎn))，則內(nèi)壁環(huán)氧涂層的最短固化時(shí)間為s≈51 s(120.8-60-9.8)。該最短固化時(shí)間沒(méi)有考慮實(shí)際噴涂操作工藝時(shí)間(30 s)，因此真正的最短固化時(shí)間近似為s≈21 s(120.8-60-30-9.8)。可見(jiàn)，當(dāng)基管內(nèi)壁溫度降至210 ℃時(shí)才開(kāi)始噴涂?jī)?nèi)壁，涂層的固化時(shí)間過(guò)短，難免會(huì)影響涂層性能。假如按照實(shí)際試驗(yàn)的溫度220 ℃開(kāi)始噴涂(圖中T4點(diǎn))，則其最短固化時(shí)間近似為s≈43.4 s(120.8-37.6-30-9.8)，就能基本滿足固化技術(shù)要求。

圖7 基管及內(nèi)外壁環(huán)氧樹(shù)脂涂層溫度變化曲線Fig.7 Temperature-time curves for steel pipes and epoxy resin coatings on inner and outer wall

事實(shí)上，基管內(nèi)壁噴涂環(huán)氧時(shí)，在不改變環(huán)氧涂料配方的前提下，為了保證環(huán)氧樹(shù)脂具有足夠的固化時(shí)間，可從兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整：一是選擇較高的內(nèi)壁噴涂基管溫度，如文中實(shí)驗(yàn)時(shí)采用220 ℃，但調(diào)整范圍有限，過(guò)高的溫度將導(dǎo)致涂層性能的惡化；二是提高噴涂速度，縮短噴涂時(shí)間，該措施要求對(duì)現(xiàn)有裝備進(jìn)行改造并增加投入。因此，通過(guò)適當(dāng)提高基管溫度和噴涂速度，就容易獲得較寬的噴涂工藝窗口，同時(shí)保證涂層質(zhì)量。

利用上述模型對(duì)前述實(shí)驗(yàn)中的外壁噴涂工藝進(jìn)行模擬計(jì)算(基管長(zhǎng)度設(shè)定為800 mm，起始溫度為250 ℃)，所得基管內(nèi)壁的溫度變化見(jiàn)圖1中虛線。對(duì)比實(shí)測(cè)溫度和計(jì)算溫度，發(fā)現(xiàn)實(shí)際溫度稍高于計(jì)算溫度，主要原因是噴涂后涂層固化放熱。

綜上可見(jiàn)，該有限元模型可較為準(zhǔn)確地模擬鋼管在不同工藝條件下的熱傳遞，對(duì)大口徑全尺寸鋼管噴涂工藝參數(shù)的優(yōu)化、制訂合理的工藝規(guī)程具有積極意義。

3 結(jié) 論

運(yùn)用DEFORM-3D軟件成功模擬計(jì)算了一次加熱涂覆工藝中雙面環(huán)氧涂覆鋼管的溫度場(chǎng)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。通過(guò)該計(jì)算模型，可以為一次加熱涂覆工藝的進(jìn)一步優(yōu)化、擴(kuò)大噴涂工藝窗口提供有價(jià)值的指導(dǎo)。