重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用

杏志峰

（新疆焦煤集團洗煤廠新疆烏魯木齊830025）

重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用

杏志峰

（新疆焦煤集團洗煤廠新疆烏魯木齊830025）

本文針對影響全重介選煤廠生產的管道磨損問題，筆者分別對管道磨損的原因、磨損的機理、磨損的重點部位進行了整理和分析，并從優(yōu)化管道布置、細化操作工藝、采用抗磨技術、加強現(xiàn)場管理等方面提出解決途徑和改進意見，有較強的針對性、實效性和可操作性。

重介管道磨損抗磨

生產管道是選煤廠的重要組成部分。在全重介選煤廠中，生產管道的磨損不僅會造成廠房內跑、冒、滴、漏，影響生產環(huán)境，而且直接威脅系統(tǒng)穩(wěn)定和安全生產，同時還增加了職工的勞動量及維修成本。因此，探索全重介選煤廠管道抗磨損技術研究與應用十分重要。

一、管道磨損原因

根據(jù)輸送系統(tǒng)和流體性質的不同，選煤廠的生產管道可分為重介質管道、煤泥水管道清水管道、循環(huán)水管道、旋流器供料管道、壓風管道、藥劑管道等。其中，磨損最嚴重的是重介質管道和旋流器供料管道。重介質管道輸送的流體是由磁鐵礦粉和水組成的液、固兩相重介質懸浮液。由于重介質管道中含有磁鐵礦粉，管道的磨損比其他管道更為嚴重。而旋流器供料管道輸送流體的成分更加復雜，是由磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、水組成的液固二相漿體，粒度不同、硬度各異，對管道的局部磨損相當劇烈。

二、管道磨損機理分析

管道磨損是一個復雜的過程，而且涉及的因素也很多。從形成機理來看，主要歸納為3類：

1.沖蝕磨損。在介質管道中，固體顆粒（磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、煤泥）以一定的速度，對管道的過流部件表面進行沖擊、研磨，造成材料流失，管材、管件、閥門等失效。大量試驗表明：在攻角（入射角）45°時沖蝕率最大，攻角60°時沖蝕率最小；沖蝕磨損還與沖蝕速度有關，當沖蝕速度較低時，這種碰撞摩擦較輕，隨流速增加，沖蝕率顯著增大，磨損速度急劇上升；流體中固體顆粒的濃度對磨損也有重要影響，磨損量正比于固體顆粒的濃度。

2.變形磨損。變形磨損主要是指固體顆粒與管壁表面進行的傾斜或平移摩擦而發(fā)生的磨損。影響磨損的因素有固體顆粒大小、硬度、形狀，流體的性質、黏度及管材質量等。一般來說，粒度越粗，硬度越大，形狀越不規(guī)則，管壁磨損就越嚴重，反之，磨損較輕。

3.疲勞磨損。由于管壁表面疲勞應力（沖擊或振動）引起表面裂紋或鱗屑脫落所致。對于疲勞磨損來說，主要取決于管壁表面的強度和韌性，同時，也與流體顆粒的級配、濃度、流速、沖擊角度有關。若顆粒沖擊角度大，使用軟的韌性材料有利，沖擊角度小，使用硬的韌性材料有利。根據(jù)選煤廠實際情況，大部分漿體管道輸送物料時，一般沖擊角不大，可選用硬度大的韌性材料。

三、管道磨損部位分析

管道磨損現(xiàn)象包含著許多復雜的因素，是多重機理綜合作用的結果。生產實踐表明，不同機理作用造成管道磨損程度和磨損部位不同。在重介質管道中，磨損比較嚴重的部位有：斜管、水平管的底部，法蘭、焊口連接處，管道彎頭，管道變向、變徑接口處的管件等。

1.斜管、水平管的底部。無論是由磁鐵礦粉和水組成的重介質懸浮液，還是由磁鐵礦粉、煤塊、矸石塊、水組成的液固二相漿體，由于水的黏度較低，所以流體在管道中的運行狀態(tài)主要有2種：層流和紊流。當流體流動速度小于下臨界速度，流體雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù)時，流體狀態(tài)為層流，流體中的重固體顆粒開始沿管道底部滑動，從而對管道底部產生磨損；當流體流動速度大于下臨界速度，流體雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)時，流體狀態(tài)為紊流。這時，流體中的固體顆粒呈懸浮狀態(tài)，減少了對管道底部的磨損，但對于沿流體方向或過流面改變的地方，將產生劇烈的渦流、撞擊，進而加劇此處管件的局部磨損，如彎頭、變徑口、法蘭等處。

2.法蘭、焊口連接處。檢查現(xiàn)場拆卸下來的管道、管件，發(fā)現(xiàn)管道法蘭、焊口連接處的損壞呈明顯蜂窩狀，說明流體在此產生強烈的旋渦，流體中的顆粒對此處進行了撞擊和切削。一般來說，法蘭、焊口連接處的磨損程度取決于該處的間隙大小，間隙越大，磨損程度越嚴重。

3.管道彎頭。流體在管道彎頭中的流動比較復雜，不但有主流，而且有與之垂直的二次流，基本上是兩者的疊加，即雙向扭轉在內壁側匯合的二重流。二次流是由于管道中心部位的流速大于管壁附近的流速，加上受較大的離心力，壓力梯度不足而產生的。斷面中心部位較大動量移向外壁側，而內壁較小的動量轉向中心，形成由內向外的雙向二次流，從而使外壁側的流速遠高于內壁側，造成彎頭外壁側局部磨損、失效。

4.管道變向、變徑處的管件。當管道變向、變徑時，流體不是沿著原管壁方向流動，而是改變流動方向。此時，由于慣性、離心力或向心力的作用，在局部形成旋渦區(qū)。旋渦區(qū)的固體顆粒對管壁產生摩擦或沖蝕，從而造成管件的局部磨損。

四、管道磨損的解決措施

筆者在學習業(yè)內外同行經驗的基礎上，結合實際情況，通過對管道磨損機理、磨損部位的分析研究，提出具體解決措施。

1.優(yōu)化管道布置，降低管道磨損。（1）優(yōu)化管道布置。布置原則為：①符合工藝設備的安裝、運輸、操作、起吊及維修要求；②盡可能做到靠梁柱、走直線、管道短、彎頭少；③減少管道的變向、變徑、接頭、分流、合流布置，在需要改變或調節(jié)處設置管件和閥門，管道的匯合或分流處應順著流體方向連接；④根據(jù)管道的強度和剛度要求，合理布置支（吊）架；⑤根據(jù)輸送物料的性質和要求，選擇好重介質管道的走向及坡度。

（2）做好變向處理。介質管道作為重介選煤廠最主要的生產管道，現(xiàn)實中的變向是不可避免的。管道變向處理方法主要有以下幾種：①選用圓球形彎頭，降低流速和壓力，減少對彎頭的摩擦系數(shù)，延長彎頭使用壽命；②在管道改向設計時，盡可能使彎頭的弧度加大。彎頭的弧度與管徑的比值越大，管道彎頭的耐磨性越強；③使用三通作為管路改向的管件，可延長管道壽命；④避免管道變向造成攻角（入射角）45°和90°的最劇烈沖蝕磨損。

2.細化操作工藝，提高安裝質量。（1）管道安裝。按照管道設計圖紙的要求和施工規(guī)范，做好管道、管件、閥門和設備的連接，形成一個密閉的流體輸送系統(tǒng)：①做好管道的檢查與清洗，防止管材存在砂眼、裂紋、重皮、夾層、嚴重銹蝕等缺陷，對一些特殊要求的管道，還需進行清洗或脫脂處理；②嚴把下料和切斷關，嚴格按照設計圖紙尺寸或現(xiàn)場測量的實際尺寸進行下料，管道切口應平整無毛刺，斜度不超差；③根據(jù)設計要求，做好管道地面預制、分段吊裝、有效固定和附件安裝等，尤其要加強管道穿墻壁、穿樓板和穿水池的施工質量；④管道的走向、坡度、標高及管道與閥門、彎頭、設備的連接要符合設計要求。

（2）法蘭連接。在選煤廠管道連接中，以法蘭和焊接連接為主。法蘭連接是將2個法蘭分別固定在需要連接的2個管端上，然后用螺栓固定。為使法蘭連接處嚴密，應根據(jù)法蘭性質和輸送介質的壓力和溫度，在法蘭密封面之間安裝不同的墊片。對于管道法蘭盤連接處的磨損，解決辦法是按照操作規(guī)范，改進和優(yōu)化操作工藝，提高安裝、檢修質量，盡量減少接口處的間隙。在實際操作中應注意：①按照管道管材和輸送介質的性質、壓力，選擇好法蘭、螺栓、螺母、墊片等，包括材質、尺寸、硬度、光潔度等；②法蘭與管道焊接時，應盡量使法蘭與管道密封面平齊，減少因密封面不齊造成的磨損，特別是復合耐磨管道法蘭處內襯的鑲嵌質量影響最大；③必須清除法蘭表面及密封面上的鐵銹、油污等雜物，確保法蘭密封面平整光潔，不得有毛刺和徑向溝槽；④法蘭安裝時，2個法蘭平面必須同心且平行，并垂直于管道中心線，螺栓孔也應保持同心，擰緊螺栓時應對稱、均勻地進行；⑤法蘭墊片應安裝在法蘭中心位置，不能用雙墊和斜墊。

（3）焊接連接。焊接連接是管道連接的主要形式，尤其是在金屬管道的連接中占有極為重要的地位，且應用廣泛。由于焊接連接具有牢固耐久、接頭強度高、嚴密性好、成本低、后期維修量小的特點，多被工業(yè)企業(yè)選用。管道焊接的方法有手工電弧焊、氣焊、手工氬弧焊、埋弧自動焊、埋弧半自動焊等。其中，手工電弧焊和氣焊在施工現(xiàn)場應用最為普遍，且操作工藝成熟。

3.采用抗磨技術，提升抗磨水平。在重介質選煤廠，管道磨損是不可避免的。要從根本上解決管道磨損問題，必須采用新的抗磨技術，研究開發(fā)新的耐磨材料，最終達到抗磨的目的。隨著重介質選煤業(yè)的發(fā)展，各種耐磨管材的開發(fā)、研制也取得重大突破和快速發(fā)展。目前使用較多的耐磨管材有耐磨鑄鋼管、超抗磨管、陶瓷內襯復合管、鋼-鋼復合管、聚氨酯鋼橡復合管、鑄石管、超高分子聚乙烯管等。這些管材均適合于磨損嚴重的重介質管道，特別是濃介質管道和合格介質管道。與此同時，還要選用耐磨彎頭、耐磨管件、耐磨閥門等。

（1）鑄石管。只能在大直徑管道內使用。優(yōu)點是耐磨性能強、機械強度高、抗沖擊韌性好；缺點是鑄石層厚管道笨重，粘貼技術要求高，鑄石間隙大、易脫落。

（2）耐磨鑄鋼管。采用中頻感應電爐冶煉、離心鑄造工藝等新技術加工而成。優(yōu)點是材料均質，耐磨、耐熱、耐腐蝕性好，易于焊接；缺點是因離心鑄造，表面相對粗糙，影響抗磨性。

（3）復合管。又稱襯里管，管壁由2種不同材料組成，外層是高強度的金屬材料，內層是耐磨損、耐腐蝕的金屬或非金屬材料，二者經特殊工藝處理后緊密結合在一起。根據(jù)襯里材料的不同，復合管可分為襯陶瓷管、襯鉛鋼管、襯塑鋁管等。優(yōu)點是抗磨性能好、強度高、阻力小、重量輕等；缺點是怕碰撞，施工技術要求高。

（4）超高分子聚乙烯管。優(yōu)點是抗沖擊、耐磨損、重量輕、阻力小、易連接（熱熔和電熔）；缺點是耐熱性差、剛度低。

4.加強現(xiàn)場管理，延長管道壽命。除上述措施外，還要做好以下工作：①做好管道的檢驗和試壓工作。選煤廠生產管道輸送的介質，一般是無毒流體，大部分管道只做強度試驗和嚴密性試驗即可；②做好管道除銹、防銹、防腐、防凍等維護工作，確保管道完好；③做好防堵、防漏工作，從源頭上防止大塊物料、雜物，特別是金屬異物，如螺栓、鋼絲、鋼板進入流體，以減少對管壁的沖擊磨損，對于襯里用鑄石、陶瓷、塑鋁等復合管材尤為重要。此外，管道局部磨漏時可采取臨時“補丁”予以加強；④做好管道翻身轉向工作，斜管、水平管等直管在運行一段時間后，可旋轉管道的角度，使各部位磨損均勻，延長管道使用壽命。

五、結束語

通過對全重介選煤廠管道抗磨損技術的研究與應用，從理論上剖析了管道磨損機理，有利于在技術上進行改進；查找了管道磨損的重點部位，有利于在安裝、使用中加以預防。重點從抗磨技術改進、施工工藝完善、耐磨管材應用、現(xiàn)場技術管理等方面提出了管道抗磨的對策措施和改進意見，有較強的針對性、實效性和可操作性。但對不同管材磨漏的后續(xù)處理、新型抗磨管材的推廣和改進未能提出詳細建議，有待今后深入研究和探索。

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