鋼管雙面環(huán)氧噴涂層成形過程熱傳遞數(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，對流體輸送用鋼管的需求和質(zhì)量要求也越來越高。通過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1.2 m，長度可達12 m)，鋼管內(nèi)外壁在噴涂環(huán)氧涂層時，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，因而需要進行大量的研發(fā)工作，且存在試驗周期長、工作量大、能耗高、試驗成本高的缺點[3]。

近幾十年來，隨著計算機的快速發(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程中的流動規(guī)律在生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。將有限元分析法和實際生產(chǎn)結(jié)合起來，有利于推動現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)值模擬與仿真技術(shù)的運用，對于縮短研發(fā)周期、降低試驗成本、提高優(yōu)化水平具有普遍的工程意義[4-11]?；诖?，筆者采用DEFORM-3D有限元模擬軟件對雙面涂覆鋼管的基管與環(huán)氧涂層之間的傳熱過程進行有限元模擬，分析鋼管、內(nèi)外環(huán)氧樹脂涂層的溫度場及其隨時間的變化，探索鋼管經(jīng)一次加熱實現(xiàn)內(nèi)、外涂層的噴涂和固化工藝的可行性，并與試驗法獲得的關(guān)鍵參數(shù)進行對比。該工作既可大幅度降低工藝試驗的工作量和能源消耗，也可為大口徑涂覆鋼管生產(chǎn)工藝的進一步優(yōu)化提供技術(shù)參考，對縮短研發(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驗制備

雙面環(huán)氧涂覆鋼管因服役環(huán)境的要求，外壁環(huán)氧樹脂的固化溫度比內(nèi)壁環(huán)氧樹脂的高，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)氧樹脂涂層，待溫度降至合適范圍時再對內(nèi)壁進行環(huán)氧樹脂涂層的噴涂，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、時長及送粉量、固化溫度和時間，內(nèi)壁噴涂工藝溫度、時長及送粉量、固化溫度和時間等。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，能保證雙面環(huán)氧涂層的性能滿足技術(shù)要求。

本實驗采用外徑1 200 mm×壁厚12 mm的大口徑基管進行涂覆試驗。通常，長度6 m的涂覆鋼管便于運輸，用量相對較大，但工藝試驗時試件的尺寸不宜太大，故選取基管的長度為800 mm。同時，在基管的兩端各裝夾兩組隨行平板試片(長100 mm ×寬100 mm ×厚8 mm)，用于涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能分析。實驗時設(shè)定基管的初始加熱溫度為250 ℃?；芗捌桨逶嚻?jīng)除油、除銹、鈍化等預(yù)處理后達到GB/T 8923.1—2011中規(guī)定的Sa 2.5級；然后將基管置于保護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，并用粉末噴涂機在基管的外表面噴涂環(huán)氧樹脂粉末(4把噴槍，送粉量4×420 g/min，轉(zhuǎn)速2 r/min，噴涂時長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)氧樹脂涂層，最終厚度約0.45 mm。期間，利用FLUKE563型紅外測溫槍(距離系數(shù)D∶S=50)測量基管內(nèi)壁(中間某噴槍正對位置的背面)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，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)氧樹脂涂層在基管表面冷卻后形成致密的保護膜。試驗場地的溫度約為20 ℃，大氣相對濕度約為55%～65%。所使用的環(huán)氧樹脂粉末為市售雙酚A型環(huán)氧樹脂,各項技術(shù)指標符合SY/T 0315—2013標準的要求。

圖1中黑點所示為實驗測得的基管內(nèi)壁溫度，可以看到：經(jīng)過55 s之后，基管內(nèi)壁從初始溫度降至221 ℃，60 s時已降至218 ℃，因此實驗時選在56 s時刻開始內(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，無裂紋、氣泡等缺陷，表面質(zhì)量良好。對涂層的固化度、硬度、耐磨性、耐蝕性、表面形貌等各方面進行檢測，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)氧樹脂涂覆的鋼板樣品Fig.2 Epoxy coated steel plate samples pipe with time

2 傳熱過程的有限元模擬分析

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

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軟件中進行物模型構(gòu)建，所有的參數(shù)均依照實際工況選取。

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)氧樹脂。由于材料庫中沒有環(huán)氧樹脂材料，需要單獨導(dǎo)入[12-16]。涂層全都劃分4×105個網(wǎng)格，采用相對尺寸，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。為了將問題簡化，模擬時直接將整個環(huán)氧涂層與基管表面接觸，而忽略涂層面積在實驗中呈線性增加這一事實，且外涂層在最初時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 ℃ 時立即覆蓋在基管內(nèi)壁上。此外，也不考慮涂層固化時的放熱效應(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)氧樹脂溫度分布云圖。由圖4，5可以看出：環(huán)氧樹脂涂層溫度總體分布均勻，兩端降溫速度較中間部位要快，當內(nèi)壁環(huán)氧樹脂涂覆后，外環(huán)氧涂層冷卻速度大于內(nèi)層環(huán)氧樹脂。

圖4 外壁環(huán)氧樹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，可以計算出外層環(huán)氧樹脂吸收的熱量為1.9×108J，內(nèi)層環(huán)氧樹脂吸收的熱量為7.5×107J，與熱量計算公式計算出的結(jié)果接近。

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

從計算結(jié)果中提取出基管及環(huán)氧樹脂涂層的溫度，它們隨時間的變化關(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的溫度變化，該曲線通過模擬計算基管(起始溫度250 ℃)在不進行表面噴涂的自然冷卻過程中的溫度場獲得?？梢?，如果在30 s的外壁噴涂工藝時間內(nèi)不對外壁進行噴涂，基管溫度將降至233 ℃(圖中T1點)，也即比起始溫度下降17 ℃。事實上，外壁噴涂時整個表面涂層是在30 s內(nèi)勻速形成的，也即基管的實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，模擬計算時設(shè)定基管的起始溫度為240 ℃相對合理，比較接近實際情況。圖7中b曲線代表基管涂覆之后其內(nèi)壁的溫度變化?？梢娀軆?nèi)壁從起始溫度降至210 ℃所需的時間為60 s(圖中T2點)。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)氧樹脂在與基管接觸的前5 s內(nèi)大幅度吸熱，溫度最高達到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間為55 s(實際噴涂試驗中從開始噴涂到涂層降至200 ℃所經(jīng)歷的時長約為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)氧樹脂的吸熱時間是9.8 s，最高溫度達到193 ℃，50 s后冷卻至170 ℃(圖中T3點)，則內(nèi)壁環(huán)氧涂層的最短固化時間為s≈51 s(120.8-60-9.8)。該最短固化時間沒有考慮實際噴涂操作工藝時間(30 s)，因此真正的最短固化時間近似為s≈21 s(120.8-60-30-9.8)?？梢?，當基管內(nèi)壁溫度降至210 ℃時才開始噴涂內(nèi)壁，涂層的固化時間過短，難免會影響涂層性能。假如按照實際試驗的溫度220 ℃開始噴涂(圖中T4點)，則其最短固化時間近似為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

事實上，基管內(nèi)壁噴涂環(huán)氧時，在不改變環(huán)氧涂料配方的前提下，為了保證環(huán)氧樹脂具有足夠的固化時間，可從兩個方面進行調(diào)整：一是選擇較高的內(nèi)壁噴涂基管溫度，如文中實驗時采用220 ℃，但調(diào)整范圍有限，過高的溫度將導(dǎo)致涂層性能的惡化；二是提高噴涂速度，縮短噴涂時間，該措施要求對現(xiàn)有裝備進行改造并增加投入。因此，通過適當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，同時保證涂層質(zhì)量。

利用上述模型對前述實驗中的外壁噴涂工藝進行模擬計算(基管長度設(shè)定為800 mm，起始溫度為250 ℃)，所得基管內(nèi)壁的溫度變化見圖1中虛線。對比實測溫度和計算溫度，發(fā)現(xiàn)實際溫度稍高于計算溫度，主要原因是噴涂后涂層固化放熱。

綜上可見，該有限元模型可較為準確地模擬鋼管在不同工藝條件下的熱傳遞，對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

運用DEFORM-3D軟件成功模擬計算了一次加熱涂覆工藝中雙面環(huán)氧涂覆鋼管的溫度場，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。通過該計算模型，可以為一次加熱涂覆工藝的進一步優(yōu)化、擴大噴涂工藝窗口提供有價值的指導(dǎo)。