关于延长耐磨管道使用寿命的探析

陈 凡，陈 忻

（浙江新安迈图有机硅有限责任公司，浙江杭州 311600）

0 引言

有机硅作为一种新型材料，具有有机物和无机物的双重特性，如耐高低温、电气绝缘、耐老化、耐臭氧、阻燃、憎水、无毒无味、耐腐蚀和生理惰性等一系列优异特性。因此，有机硅又被称做为“工业味精”，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业。

目前，随着有数量和品种的持续增长和应用领域的不断拓宽，有机硅行业快速发展，其原料硅粉的需求也日益加大。有机硅生产过程中硅粉的输送，已成为行业的技术难点，而输送管道磨损、使用寿命等问题是其研究的核心。

1 问题及原因分析

硅粉输送基本上是气力输送，即通过气体带动硅粉，将其输送到目标设备。其输送方式属气固两相流动，因硅粉粒径大小、浓度不同，流动遵循气相流体力学规律，在管道磨损上表现出气力输送相同的特征。

管道磨损是一种常见现象，观察更换下的管道磨损部位，多发生在管道局部的异形处，如弯头、三通位置。直管段的磨损相对较轻，一般发生在管道的底部。

管道磨损是硅粉颗粒物对壁面的碰撞冲刷造成的，有相对运动就有磨损。管道的磨损与硅粉颗粒质量的大小、气体流速、硅粉颗粒碰撞、管道壁面的材料、摩擦因数等有关。管道的磨损其实是硅粉颗粒碰撞的积累。在原料硅粉、输送流速不能改变的情况下，能改变的只有管道壁面材料和结构。

2 改进措施

2.1 管道材料

（1）目前原料硅粉的输送普遍使用钢衬陶瓷（刚玉）管道（图1），其价格相对便宜，且抗磨损能力高，抗流体冲刷能力强。但在安装运行过程中不能敲击，冷热交替温差不能过大。

图1 钢衬陶瓷管

与传统的碳钢管、耐磨合金铸钢管等有着很大的区别，内衬陶瓷管外层是碳钢管，内部衬层是刚玉。内衬层的硬度高达维氏硬度100～1500 HV（洛氏硬度为90～98 HRC），相当于钨钴硬金，耐磨性比碳钢管高20 倍以上。钢衬陶瓷管的抗磨损主要靠内层几毫米厚的内衬刚玉层，其硬度仅次于金刚石和碳化硅，是所有氧化物中硬度最高的。

钢衬陶瓷耐磨管目前普遍采用自蔓延高温合成——离心法制造，从内到外分别由刚玉陶瓷、过渡层、碳钢这3 层组成，陶瓷层是在2200 ℃以上高温形成的致密刚玉瓷（Al2O3），通过过渡层同钢管形成牢固的结合。陶瓷管因充分发挥了钢管强度高、韧性好、耐冲击、焊接性能好以及刚玉瓷高硬度、高耐磨、耐蚀、耐热性好的特性，克服了钢管硬度低、耐磨性差以及陶瓷韧性差的缺陷。

由于钢衬陶瓷耐磨管外层是碳钢管，加之内层升温也不崩裂，可用直接焊接法兰进行连接，更利于有机硅行业的硅粉输送。

（2）部分管道采用内部喷涂，一般喷涂碳化钨，厚度约0.1 mm，即采用高温热源，使粉末材料熔化，高速喷涂到工作表面，形成具有特殊性能的涂层（图2）。

图2 内表面喷涂碳化钨

该喷涂工艺具有以下特点：①应用喷涂工艺，可以针对材料零件表面性能的不同需求，采用不同的材料，使喷涂后的零部件表面性能发生较大的转变；②可使零部件获得极好的耐磨防腐、耐热隔热、绝缘等基材不具备的特点，延长零部件的使用寿命；③在节省大量优质材料的同时，发挥出常规及其他特殊热处理后不可比拟的优良性能；④由于零部件能获得优越使用性能，可节省材料及零部件库存，大大降低停机率，提高经济效益。

此种喷涂工艺已在国内各行业广泛使用，但对于关键硅粉输送管道不一定很适用，因其厚度较低，喷涂受热易剥落，且性价比不高，此种方式用于机械零件效果较好。

（3）对于卸车、有称重要求的管道，可以使用陶瓷耐磨软管（图3）。其内表面采用特制的高铝陶瓷和高弹性、高强度的橡胶复合材料，是具有超耐磨性的橡胶软管，对干性磨损具有极为出色的耐磨耗性。

图3 陶瓷软管结构

但其对使用温度有严格要求，超过80 ℃不能使用。采用陶瓷珠式耐磨软管，相比于陶瓷板，陶瓷珠与橡胶管粘贴更加吻合，同时也消除了弯管碰撞时产生的咬边现象，降低损坏概率。

（4）对于特别重要的管道，目前采用内部喷涂TCC300 的管道，其具有超高的耐磨性以及耐热性（图4）。喷涂TCC300 管道工艺是在喷涂技术基础上改良，主要分为4 步完成：①混粉：将钨粉、镍粉、铬粉、硼粉及添加剂按比例混合；②制布：根据需求制成1 mm 的碳化钨布；③粘接：将制好的布粘接在预处理好的工件上；④烧结：放入真空炉高温（超过1100 ℃）烧结。

图4 内部喷涂TCC300

喷涂TCC300 管道的特点是具有高的耐磨性、抗冲击性，还有耐高温、可焊接等特点，解决了重要管道及零部件的耐磨以及可加工型，并为后续的维修提供可能（表1）。

表1 涂层性能

2.2 耐磨结构

根据使用经验以及磨损机理，在风速一定的情况下，硅粉颗粒在管道弯头改向后，离心力对弯头背部处壁面的磨损最大，对此处进行改进，以增强其耐磨性，提高管道使用寿命。

（1）增加弯头的曲率半径，改用大半径弯头，可有效提高其耐磨性（图5）。长半径弯头是指弯头的曲率半径为管子直径D 的1.5 倍以上，输送管的曲率半径越小，其阻力越大，耐磨性越差。因此对于硅粉输送而言，在安装空间足够的情况下，弯头部分一般采用大半径弯头，曲率半径根据安装空间选择大于3D 或者5D 的管道。

图5 大半径弯头

（2）增加弯头背面厚度，定向提高薄弱点厚度，提高其使用寿命（图6）。根据使用经验及磨损机理，输送管弯头背面是管道的薄弱点，最易磨损。因此，可以在薄弱点处定向增厚，从而提高管道使用寿命。

图6 局部加厚

（3）将弯头和三通改成球形弯头和三通，减少磨损，便于测量薄弱点的厚度，可及时进行预防性维修（图7）。

图7 球形弯头和三通

（4）对于特别重要的管道，可制作夹套管，其内部管道可使用钢衬陶瓷管或者内部喷涂TCC300 管道，外部采用碳钢管（图8）。

图8 夹套管处理

此方法一方面可有效提高耐磨性能，延长使用寿命。另外，在夹套管上安装压力表，可方便管道检查，进行预防性维修。此外，为防止特殊物料因为输送管磨穿而产生生产安全风险，可在夹套管内填充氮气，进行惰性气体保护。

3 耐磨管的维修

对于普通硅粉输送用的耐磨管，如果输送过程有磨穿泄漏，不能及时更换管道，可以采用堵漏胶棒封堵，另外以简易夹具固定即可堵漏（图9）。该方法制作简单、快速，用于压力较低的硅粉气体输送。但其有一定的局限性，不一定能完全封堵，不适用于有毒有害物料和易燃物料，另外在弯头、法兰根部等部位，也不能进行有效的堵漏。

图9 堵漏胶棒+夹具

对于关键部位的粉料输送的耐磨管，如果拆检过程中发现有磨损，又不能及时更换管道，可使用耐磨修补剂修补（图10）。耐磨修补剂由各类高性能耐磨、抗蚀材料（如陶瓷、碳化硅、金刚砂、钛合金）与改性增韧耐热树脂复合而成，可用于修复磨损失效的零件、管道等。该修补方式的优点：①耐磨性能优异，是一般金属的2 倍以上；②与各类金属基材有很高的结合强度；③施工工艺性好、固化无收缩；④固化后的材料有很高强度，方便、快捷。

图10 耐磨修补剂修补

4 结语

硅粉输送管道磨损泄漏问题，给工厂的安全稳定运行造成重大隐患，管道维护工作量及维护成本较大，特别是随着管道使用的年限延长，对于安全生产形成极大挑战。对于硅粉输送管道，一方面需要延长管道的使用寿命，提高安全可靠性，减少维护成本，另一方面必须增强预防性维修的实施，增强其可检测、可预估、可观察的可能性，在磨穿之前进行预防性维修、更换。