關于延長耐磨管道使用壽命的探析

陳 凡，陳 忻

（浙江新安邁圖有機硅有限責任公司，浙江杭州 311600）

0 引言

有機硅作為一種新型材料，具有有機物和無機物的雙重特性，如耐高低溫、電氣絕緣、耐老化、耐臭氧、阻燃、憎水、無毒無味、耐腐蝕和生理惰性等一系列優異特性。因此，有機硅又被稱做為“工業味精”，廣泛應用于航空航天、電子電氣、建筑、運輸、化工、紡織、食品、輕工、醫療等行業。

目前，隨著有數量和品種的持續增長和應用領域的不斷拓寬，有機硅行業快速發展，其原料硅粉的需求也日益加大。有機硅生產過程中硅粉的輸送，已成為行業的技術難點，而輸送管道磨損、使用壽命等問題是其研究的核心。

1 問題及原因分析

硅粉輸送基本上是氣力輸送，即通過氣體帶動硅粉，將其輸送到目標設備。其輸送方式屬氣固兩相流動，因硅粉粒徑大小、濃度不同，流動遵循氣相流體力學規律，在管道磨損上表現出氣力輸送相同的特征。

管道磨損是一種常見現象，觀察更換下的管道磨損部位，多發生在管道局部的異形處，如彎頭、三通位置。直管段的磨損相對較輕，一般發生在管道的底部。

管道磨損是硅粉顆粒物對壁面的碰撞沖刷造成的，有相對運動就有磨損。管道的磨損與硅粉顆粒質量的大小、氣體流速、硅粉顆粒碰撞、管道壁面的材料、摩擦因數等有關。管道的磨損其實是硅粉顆粒碰撞的積累。在原料硅粉、輸送流速不能改變的情況下，能改變的只有管道壁面材料和結構。

2 改進措施

2.1 管道材料

（1）目前原料硅粉的輸送普遍使用鋼襯陶瓷（剛玉）管道（圖1），其價格相對便宜，且抗磨損能力高，抗流體沖刷能力強。但在安裝運行過程中不能敲擊，冷熱交替溫差不能過大。

圖1 鋼襯陶瓷管

與傳統的碳鋼管、耐磨合金鑄鋼管等有著很大的區別，內襯陶瓷管外層是碳鋼管，內部襯層是剛玉。內襯層的硬度高達維氏硬度100～1500 HV（洛氏硬度為90～98 HRC），相當于鎢鈷硬金，耐磨性比碳鋼管高20 倍以上。鋼襯陶瓷管的抗磨損主要靠內層幾毫米厚的內襯剛玉層，其硬度僅次于金剛石和碳化硅，是所有氧化物中硬度最高的。

鋼襯陶瓷耐磨管目前普遍采用自蔓延高溫合成——離心法制造，從內到外分別由剛玉陶瓷、過渡層、碳鋼這3 層組成，陶瓷層是在2200 ℃以上高溫形成的致密剛玉瓷（Al2O3），通過過渡層同鋼管形成牢固的結合。陶瓷管因充分發揮了鋼管強度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好以及剛玉瓷高硬度、高耐磨、耐蝕、耐熱性好的特性，克服了鋼管硬度低、耐磨性差以及陶瓷韌性差的缺陷。

由于鋼襯陶瓷耐磨管外層是碳鋼管，加之內層升溫也不崩裂，可用直接焊接法蘭進行連接，更利于有機硅行業的硅粉輸送。

（2）部分管道采用內部噴涂，一般噴涂碳化鎢，厚度約0.1 mm，即采用高溫熱源，使粉末材料熔化，高速噴涂到工作表面，形成具有特殊性能的涂層（圖2）。

圖2 內表面噴涂碳化鎢

該噴涂工藝具有以下特點：①應用噴涂工藝，可以針對材料零件表面性能的不同需求，采用不同的材料，使噴涂后的零部件表面性能發生較大的轉變；②可使零部件獲得極好的耐磨防腐、耐熱隔熱、絕緣等基材不具備的特點，延長零部件的使用壽命；③在節省大量優質材料的同時，發揮出常規及其他特殊熱處理后不可比擬的優良性能；④由于零部件能獲得優越使用性能，可節省材料及零部件庫存，大大降低停機率，提高經濟效益。

此種噴涂工藝已在國內各行業廣泛使用，但對于關鍵硅粉輸送管道不一定很適用，因其厚度較低，噴涂受熱易剝落，且性價比不高，此種方式用于機械零件效果較好。

（3）對于卸車、有稱重要求的管道，可以使用陶瓷耐磨軟管（圖3）。其內表面采用特制的高鋁陶瓷和高彈性、高強度的橡膠復合材料，是具有超耐磨性的橡膠軟管，對干性磨損具有極為出色的耐磨耗性。

圖3 陶瓷軟管結構

但其對使用溫度有嚴格要求，超過80 ℃不能使用。采用陶瓷珠式耐磨軟管，相比于陶瓷板，陶瓷珠與橡膠管粘貼更加吻合，同時也消除了彎管碰撞時產生的咬邊現象，降低損壞概率。

（4）對于特別重要的管道，目前采用內部噴涂TCC300 的管道，其具有超高的耐磨性以及耐熱性（圖4）。噴涂TCC300 管道工藝是在噴涂技術基礎上改良，主要分為4 步完成：①混粉：將鎢粉、鎳粉、鉻粉、硼粉及添加劑按比例混合；②制布：根據需求制成1 mm 的碳化鎢布；③粘接：將制好的布粘接在預處理好的工件上；④燒結：放入真空爐高溫（超過1100 ℃）燒結。

圖4 內部噴涂TCC300

噴涂TCC300 管道的特點是具有高的耐磨性、抗沖擊性，還有耐高溫、可焊接等特點，解決了重要管道及零部件的耐磨以及可加工型，并為后續的維修提供可能（表1）。

表1 涂層性能

2.2 耐磨結構

根據使用經驗以及磨損機理，在風速一定的情況下，硅粉顆粒在管道彎頭改向后，離心力對彎頭背部處壁面的磨損最大，對此處進行改進，以增強其耐磨性，提高管道使用壽命。

（1）增加彎頭的曲率半徑，改用大半徑彎頭，可有效提高其耐磨性（圖5）。長半徑彎頭是指彎頭的曲率半徑為管子直徑D 的1.5 倍以上，輸送管的曲率半徑越小，其阻力越大，耐磨性越差。因此對于硅粉輸送而言，在安裝空間足夠的情況下，彎頭部分一般采用大半徑彎頭，曲率半徑根據安裝空間選擇大于3D 或者5D 的管道。

圖5 大半徑彎頭

（2）增加彎頭背面厚度，定向提高薄弱點厚度，提高其使用壽命（圖6）。根據使用經驗及磨損機理，輸送管彎頭背面是管道的薄弱點，最易磨損。因此，可以在薄弱點處定向增厚，從而提高管道使用壽命。

圖6 局部加厚

（3）將彎頭和三通改成球形彎頭和三通，減少磨損，便于測量薄弱點的厚度，可及時進行預防性維修（圖7）。

圖7 球形彎頭和三通

（4）對于特別重要的管道，可制作夾套管，其內部管道可使用鋼襯陶瓷管或者內部噴涂TCC300 管道，外部采用碳鋼管（圖8）。

圖8 夾套管處理

此方法一方面可有效提高耐磨性能，延長使用壽命。另外，在夾套管上安裝壓力表，可方便管道檢查，進行預防性維修。此外，為防止特殊物料因為輸送管磨穿而產生生產安全風險，可在夾套管內填充氮氣，進行惰性氣體保護。

3 耐磨管的維修

對于普通硅粉輸送用的耐磨管，如果輸送過程有磨穿泄漏，不能及時更換管道，可以采用堵漏膠棒封堵，另外以簡易夾具固定即可堵漏（圖9）。該方法制作簡單、快速，用于壓力較低的硅粉氣體輸送。但其有一定的局限性，不一定能完全封堵，不適用于有毒有害物料和易燃物料，另外在彎頭、法蘭根部等部位，也不能進行有效的堵漏。

圖9 堵漏膠棒+夾具

對于關鍵部位的粉料輸送的耐磨管，如果拆檢過程中發現有磨損，又不能及時更換管道，可使用耐磨修補劑修補（圖10）。耐磨修補劑由各類高性能耐磨、抗蝕材料（如陶瓷、碳化硅、金剛砂、鈦合金）與改性增韌耐熱樹脂復合而成，可用于修復磨損失效的零件、管道等。該修補方式的優點：①耐磨性能優異，是一般金屬的2 倍以上；②與各類金屬基材有很高的結合強度；③施工工藝性好、固化無收縮；④固化后的材料有很高強度，方便、快捷。

圖10 耐磨修補劑修補

4 結語

硅粉輸送管道磨損泄漏問題，給工廠的安全穩定運行造成重大隱患，管道維護工作量及維護成本較大，特別是隨著管道使用的年限延長，對于安全生產形成極大挑戰。對于硅粉輸送管道，一方面需要延長管道的使用壽命，提高安全可靠性，減少維護成本，另一方面必須增強預防性維修的實施，增強其可檢測、可預估、可觀察的可能性，在磨穿之前進行預防性維修、更換。