耐磨陶瓷在疏浚膠管中的應用

王仁俊, 張 玲, 徐 旭, 王嘉瑜

（江蘇華神特種橡膠制品股份有限公司,江蘇 句容 212402）

耐磨陶瓷在疏浚膠管中的應用

王仁俊, 張 玲, 徐 旭, 王嘉瑜

（江蘇華神特種橡膠制品股份有限公司,江蘇 句容 212402）

摘 要:介紹了耐磨陶瓷材料的一些特點，以及將其用于疏浚膠管制造的相關(guān)工藝、檢測、試用情況，以及目前這項試驗的進展。應用情況表明，將高硬度、高強度的新型陶瓷材料用于疏浚膠管及其他輸送膠管的制造，可大大提高膠管的耐磨性能，擴大膠管的使用范圍，減少膠管的輸導阻力。

關(guān)鍵詞:耐磨陶瓷；Al2O3；熱 硫化粘合；洛氏硬度

0　前 言

疏浚膠管是與挖泥船配套輸送泥沙的工具，用于江河湖海的港口建設、航道疏浚以及人工造地等工程。近20年來，隨著疏浚施工和海洋開發(fā)的深入，我國疏浚膠管產(chǎn)量和品種均有較大幅度增長，已從該產(chǎn)品的進口國變?yōu)槌隹趪恍┬滦筒牧弦仓饾u被應用于疏浚膠管的制造。為了提高疏浚膠管的耐磨性能，減少施工過程的能源消耗，筆者所在單位進行了將陶瓷材料應用于疏浚膠管的試驗。

1　耐磨陶瓷特點及近年來的應用

1.1 耐磨陶瓷的特點

耐磨陶瓷屬于新型陶瓷，是一種非金屬材料。傳統(tǒng)陶瓷主要采用天然的巖石、礦物、黏土等材料為原料。而新型陶瓷則是采用高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理制成的具有微細結(jié)晶組織的無機材料。新型陶瓷按化學成分分類可分為兩類：一類是氧化物陶瓷，如Аl2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO；另一類為非氧化物陶瓷，如ZrC、WB、АlN和C(碳和石墨)等。

用于疏浚膠管制造的耐磨陶瓷以Аl2O3為主要原料，以稀有金屬氧化物為熔劑，經(jīng)1700 ℃高溫焙燒成型。

耐磨陶瓷具有硬度高、耐磨性能好、密度小、強度高等特點。

1.1.1 硬度高

Аl2O3陶瓷的硬度為НRА80～90，僅次于金剛石，遠超高強度鋼材。常用鋼材的硬度，如Q345鋼＜НRА60,35號鋼為НRА60.4，45號鋼則為НRА62。

1.1.2 耐磨性能好

在對港珠澳大橋工地幾節(jié)磨損膠管進行測量時發(fā)現(xiàn)，其中一節(jié)嵌鋼環(huán)膠管，未磨損部位鋼環(huán)厚度10 mm，環(huán)上覆膠厚度2 mm。已磨損部位無環(huán)處膠料磨損厚度5 mm，嵌環(huán)處除了磨去2 mm厚的覆膠，鋼環(huán)磨損厚度達7 mm，出現(xiàn)了低于周圍橡膠部分4 mm的凹槽。這表明橡膠磨損厚度3mm時，鋼材磨損厚度7 mm，橡膠的耐磨性為鋼材的2.33倍。另一節(jié)襯陶瓷膠管，橡膠部位的磨損厚度5 mm，襯陶瓷部位陶瓷邊緣部分磨損1 mm厚，中央未磨損。這說明陶瓷的耐磨性能為橡膠的5倍，約為普通鋼材的10倍。1.1.3 密度小

耐磨陶瓷的密度約為3.6 g/сm3左右，比同體積的鋼材小一半還多（鋼材密度為7.85 g/сm3）。1.1.4 電絕緣性好，對熱、化學介質(zhì)的穩(wěn)定性好

試驗顯示，耐磨陶瓷即使在500 ℃的高溫下，仍然有良好的電絕緣性，其電阻為5.3×109Ω·сm。耐磨陶瓷在10%НCl中，溶解率為0.094 mg/сm3，在1:9NaOН中，溶解率為0.189 mg/сm3，表現(xiàn)出了較好的化學穩(wěn)定性。

1.2 耐磨陶瓷的應用

近年來國內(nèi)新型耐磨陶瓷的應用技術(shù)有了迅猛發(fā)展，已開發(fā)出了耐磨陶瓷片和襯陶瓷膠板、襯陶瓷鋼管之類的產(chǎn)品，用于火電、鋼鐵、煤炭等行業(yè)的物料運輸。在上述成果的基礎上，進行了將新型耐磨陶瓷材料用于疏浚膠管制造的試驗。

2　襯陶瓷疏浚膠管的性能要求與結(jié)構(gòu)設計

2.1 性能要求

首先，要有耐磨性能，即，使管道在輸導物的沖刷下依然具有良好的工作壽命；其次，要能承受工作壓強；第三，要有良好的屈撓性能。為了實現(xiàn)以上性能，除了增強層材料有足夠強度，管道的橡膠部分與陶瓷之間、管道的各層次之間，還必須有較好的粘合性能。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

襯陶瓷疏浚膠管的結(jié)構(gòu)，包括一組橡膠管道和設置在橡膠管道兩端的、帶連接件的法蘭，橡膠管道部分由內(nèi)而外包括貼有耐磨陶瓷的內(nèi)襯層、增強層、外覆層。

2.2.1 帶連接件的法蘭

連接件上焊有擋環(huán)，用來固定增強層簾布。大口徑膠管法蘭內(nèi)側(cè)與連接件結(jié)合處焊有幾個吊耳，一方面便于膠管的裝運，另一方面也增加了法蘭與連接件之間的焊接牢度。

2.2.2 貼有耐磨陶瓷的內(nèi)襯層

包括耐磨陶瓷片和充填于陶瓷片之間間隙的膠料。耐磨陶瓷片分布于兩端法蘭面之間的整個管長，表面涂有膠粘劑，與膠料通過硫化牢固粘合。內(nèi)襯層膠料輥筒磨耗應小于200 mm3。

2.2.3 增強層

由掛膠的大線徑聚酯簾布構(gòu)成，纏繞在內(nèi)襯層外側(cè)，承受工作壓力，并使管壁有良好的挺性，工作狀態(tài)不至于過度彎曲。工作狀態(tài)的過度彎曲，往往導致管道局部膠料嚴重磨損，造成陶瓷的破損或脫落，甚至造成管壁穿孔。為提高管道的抗彎曲性能，有時在增強層內(nèi)埋設1～2道被簾布與膠料包被的金屬螺旋線。

2.2.4 外覆層

外覆層的功能是保護管體，應該是耐老化的。根據(jù)ISO28017:2009（E）的規(guī)定，疏浚膠管外覆層膠料“在50×10-8濃度臭氧中、在40 ℃和20%應變下72 h后，在2倍放大鏡下應未看到龜裂或其他劣化”。外覆層還應高強度、耐磨耗，以適應管道在工作狀態(tài)下的碰撞或拖曳。

2.2.5 浮體層

根據(jù)需要，可設有浮體層，以滿足對管體的浮力需要。浮體層材料應密度小、吸水率低，并能與其他部分牢固粘合。

3　襯陶瓷耐磨膠管的制造工藝

3.1 工藝流程

襯陶瓷耐磨疏浚膠管制造的工藝流程與其他膠管相似，都要經(jīng)歷原材料準備-成型-硫化等過程。所不同的是，在原材料準備階段，要對陶瓷進行表面處理。

3.2 耐磨陶瓷的表面處理

耐磨陶瓷在用于疏浚膠管制造的成型之前須進行表面處理，一是除去附著在陶瓷片表面的油污；二是在陶瓷片表面涂抹膠粘劑，使陶瓷片能通過硫化與膠料牢固粘合。

3.3 成型

安裝好模具，將貼有陶瓷片的膠板覆貼在芯模上，制作膠管的內(nèi)襯層，然后依次覆貼增強層和外覆層。成型后包水布，送入硫化罐硫化。

4　襯陶瓷疏浚膠管的性能試驗

在襯陶瓷耐磨疏浚膠管的開發(fā)過程中，對材料和樣品管進行了相關(guān)性能試驗。

4.1 耐磨陶瓷的性能試驗

委托江蘇省陶瓷研究所進行，結(jié)果如表1所示。

表1 耐磨陶瓷性能試驗結(jié)果

4.2 膠料性能試驗

委托上海橡膠制品研究所檢測中心進行，結(jié)果如表2所示。

表2 膠料物理性能試驗結(jié)果

4.3 樣品管試驗

4.3.1 陶瓷片與內(nèi)襯層粘合性能試驗

委托上海橡膠制品研究所檢測中心進行。在剝離力為30 N/mm、67 N/mm、44 N/mm時因樣品膠料斷裂而中止試驗，未發(fā)生剝離現(xiàn)象。

4.3.2 膠管層間及端部接頭與內(nèi)襯層之間的粘合性能試驗

委托上海橡膠制品研究所檢測中心進行，結(jié)果如表3所示。

表3 膠管層間及端部接頭與內(nèi)襯層之間的粘合性能試驗

4.3.3 彎曲試驗

由試制單位自行試驗。DN800×2500襯陶瓷疏浚膠管彎曲至15°后可恢復至原來形狀，未出現(xiàn)局部損壞和扭曲之類的永久變形。

4.3.4 靜液壓試驗

由單位自行試驗。DN800×2500襯陶瓷疏浚膠管1.5倍工作壓力試壓，長度變化率為5%，外徑變化率為1%。

4.3.5 輸送阻力試驗

委托河海大學進行。輸送介質(zhì)為直徑3～5 mm的機制礫石，礫石漿體相對密度為1.24，結(jié)果如表4所示。

管道內(nèi)工作壓力降低是因為摩擦阻力的影響，阻力越大，降得越多。從表5可以看出，當管線輸送速度小于3 m/s時，襯陶瓷疏浚膠管阻力比普通膠管少25%～30%；當管線輸送速度大于5 m/ s時，輸送阻力減小20%以上。前者為管線開機或關(guān)機時的流速，后者為管線正常工作時的流速。這就說明，使用襯陶瓷疏浚膠管，不僅適于輸導大顆粒堅硬物質(zhì)，而且可以減少工作狀態(tài)下的動力消耗，還可以減少開機與關(guān)機時的堵管風險。

本來曾委托河海大學進行膠管耐磨性能試驗，由于在試驗周期內(nèi)試驗管和對比管均無明顯磨損，未能作出相關(guān)記錄。

5　產(chǎn)品試用

5.1 初次試用

此前，試制單位與中交天津航道局有限公司簽訂了技術(shù)合作協(xié)議，內(nèi)容包括“探索將新型材料運用于膠管制造的可能性，以延長疏浚膠管的使用壽命，促進疏浚施工中的節(jié)能降耗”。根據(jù)協(xié)議，試制單位制作DN700×1800襯陶瓷疏浚膠管2節(jié)，交由天津航道局試用。膠管于2011年6月運至秦皇島工地，1節(jié)作水上管，1節(jié)作陸上管，運送泥沙1000萬方后于2011年12月拆卸。

表4 襯陶瓷疏浚膠管輸送阻力試驗結(jié)果

拆卸后發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)壁有部分陶瓷片脫落、破裂，并有明顯的磨損痕跡（見圖1）。

圖1 陶瓷片脫落、破裂、磨損

5.2 原因分析

5.2.1 陶瓷片脫落

陸上管全管腔可見到的陶瓷片脫落共50多塊，水上管的陶瓷片脫落更多。造成陶瓷片脫落的原因，主要是由于陶瓷片表面處理不到位，或膠粘劑噴涂不周到，但也有的是由于陶瓷片周邊膠料磨損，陶瓷片失去了附著的基礎，導致脫落。

5.2.2 陶瓷片破裂

圖1顯示，一個區(qū)域陶瓷片蕩然無存，區(qū)域邊緣陶瓷片殘缺，表面有裂紋。這是由于瓷片的強度不足，在輸導物顆粒的撞擊下破碎脫落。

5.2.3 陶瓷片磨損

從圖1還可以看到，無陶瓷區(qū)域邊緣的陶瓷有明顯的磨損痕跡。其中一個原因是由于膠料的磨損導致陶瓷邊角外露，磨損從這里開始；另一個原因，則緣于管道內(nèi)物料運動狀態(tài)和陶瓷材料的性質(zhì)。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，沖蝕角為0°時，屬物料純滑動噴射，以磨粒磨損為主，相當于松散的顆粒在滑動摩擦復合作用下所引起的一種磨損。隨著沖蝕角的增大，磨粒磨損所占的比率減少，表面疲勞磨損的比率相應增加。當沖蝕角為90°時，表面疲勞磨損占主導地位。Pool和Finnie等用氣固兩相流對金屬材料在不同沖蝕角下的磨損率進行了實驗研究，進一步證實了如圖2所示的磨損率最大時的沖蝕角，韌性材料為20°～30°，脆性材料的為90°。

圖2 不同性質(zhì)材料的沖蝕磨損與沖蝕角的關(guān)系曲線

物料在工作壓力下通過小口徑管道，沖蝕角比較小，陶瓷材料不易被磨損；而物料在大口徑管道中，沖蝕角較大，陶瓷材料磨損也會快一些。

5.3 技術(shù)改進

針對試用過程中出現(xiàn)的問題，試制單位技術(shù)人員走訪有關(guān)專家，經(jīng)過反復試驗，采取了以下改進措施：

（1）提高陶瓷片強度

經(jīng)與有關(guān)陶瓷專家和陶瓷生產(chǎn)廠家商量，改進了陶瓷材料配方，調(diào)整了陶瓷形狀，適當增加了厚度，以提高陶瓷的抗沖蝕性能。

（2）提高膠料與陶瓷的粘合強度

原先手工噴涂膠粘劑，往往噴涂不均勻，導致膠料與陶瓷的粘合強度不夠穩(wěn)定。后來改進了內(nèi)襯層膠料配方，購置了數(shù)控噴涂設備，調(diào)節(jié)了膠粘劑黏度，采用了模壓預制膠板方法，從而保證了陶瓷片與膠粘劑粘合強度，借助橡膠的良好的吸能作用，緩沖物料對陶瓷的沖擊力。

（3）提高膠管挺性

通過對膠管管壁實施局部增強，提高了膠管挺性。這樣，管道在工作狀態(tài)扭曲變形的狀況得到了改善。

（4）錯開陶瓷拼接縫

如圖3所示，部分陶瓷由平行排列改為相間排列，錯開了拼接縫，緩沖了石料對陶瓷之間填充膠料的沖刷。

圖3 部分陶瓷片相間排列

5.4 再次試用

在進行了一系列改進后，又制作DN800×2000襯陶瓷膠管2件，于2012年4月運至山東煙臺龍口工地試用。用戶在試用報告中寫道：“工作環(huán)境為海洋風浪環(huán)境，輸送介質(zhì)為中粗砂。已工作6個月，輸送了泥沙185萬方。2012年10月拆卸后觀察，兩件膠管基本完好，可繼續(xù)使用?！眻D4為拆卸后一節(jié)膠管的內(nèi)壁情況。

6　目前進展情況

圖4 膠管試用后的內(nèi)壁情況

自從襯陶瓷疏浚膠管試用以后，國內(nèi)外一些用戶表現(xiàn)出了很高的興趣，襯陶瓷膠管在橋梁打樁、隧洞開挖施工中也開始試用。在港珠澳跨海大橋打樁施工中，所用石料直徑10～30 mm,最大的超過50 mm,輸送石料的橡膠管道起初從歐洲的意大利、德國等國家進口，不僅價格昂貴，而且壽命不長，最少打幾個樁，一般打30～40個樁，最多打70個樁，管道就會破裂。而采用襯陶瓷膠管，第一件樣品管打90個樁后破裂，迄今最高紀錄為打152個樁管道未破裂。這不僅提高了功效，也向世界展示了“中國制造”的先進性。圖5為襯陶瓷膠管被用于海洋碎石打樁機輸送石料的作業(yè)。

圖5 襯陶瓷膠管用于海洋打樁機輸送石料作業(yè)

襯陶瓷膠管雖然具有摩擦阻力小的良好性能，但只有形成管線，才能很好地顯示節(jié)能效果。圖6為襯陶瓷漂浮排泥膠管正裝車發(fā)運，它們將組成長達數(shù)百米的管線，用于海洋疏浚施工。

7　結(jié) 語

將高硬度、高強度的新型陶瓷材料用于疏浚膠管及其他輸送膠管的制造，可以大大提高膠管的耐磨性能，擴大膠管的使用范圍，減少膠管的輸導阻力。

圖6 襯陶瓷漂浮排泥膠管裝車發(fā)運

脆性存在是陶瓷的一個弱點。曾向清華大學陶瓷研究所教授咨詢改變陶瓷脆性的方案，終因成本過高而擱置。而有關(guān)試驗顯示，陶瓷的韌性強了，耐磨性能會降低。目前主要采取增加陶瓷厚度、改善陶瓷形狀等方法，提高陶瓷抗沖擊能力，以及通過提高陶瓷與橡膠的粘合強度、利用橡膠的吸能作用緩沖物料對陶瓷沖擊力的方法，延長襯陶瓷膠管的使用壽命。

參考文獻：

[1] 邵曉克. 耐磨陶瓷——水泥設備防磨首選材料[J]. 四川水泥, 2009(9)∶97-101.

[2] 欽征騎. 新型陶瓷材料手冊[M].南京∶江蘇科技出版社, 1995.

[責任編輯：朱 胤]

中圖分類號:TQ 336.3

文獻標志碼:B

文章編號:1671-8232(2014)06-0034-06

收稿日期：2013-07-09

作者簡介：王仁?。?947— ），江蘇丹陽人，高級職稱，本科學歷，江蘇華神特種橡膠制品股份有限公司總工程師，國家橡標委軟管分技術(shù)委員會委員。多年來從事疏浚膠管等大口徑膠管的研究，參與了國內(nèi)首件漂浮疏浚膠管、艏吹膠管、漂浮型海洋排吸油膠管、襯陶瓷疏浚膠管等產(chǎn)品的開發(fā)，著有《國產(chǎn)疏浚膠管的技術(shù)進步》等文，參與了GB/Т10541-2012《近海停泊排吸油橡膠軟管》的標準起草。

Application of Abrasion Ceramic in Dredging Hose

Wang Renjun, Zhang Ling, Хu Хu, Wang Jiayu
(Jiangsu Huashen Special Rubber Production Company Limited, Jurong 212402, China)

Abstract:This paper introduces some characteristics of abrasion ceramic materials and application of abrasion ceramic in dredging hose, includes technology, test and trial, and the current progress of the study.The results shows that dreging hose and other delivery hose with high hardness and high strength ceramic can improve the abrasion resistance of hose and expand the range of use and reduce the converying resistance.

Keywords:Abrasion Ceramic;Al2O3;Hot Vulcanization Bonding;Rockwell Hardness