CN110108631B - 一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法 - Google Patents

一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法，其特征在于，首先试样的加工及预处理；然后将试样放入球磨罐中进行干磨，或者在球磨罐中加入腐蚀液进行湿磨，以达到同时进行腐蚀与磨损的过程，使试样的磨损程度与工厂条件下一个工作日内的磨损程度相同；球磨结束后，将粘附于试样表面的煤洗净并烘干，称中，计算磨损量及试样高度变化，将试样高度变化视为单位工作日内磨损厚度；计算试样使用天数x的预测值。本发明通过人为添加煤料与腐蚀液，可以控制球磨过程中试样所处的环境与工厂生产实际环境相似，保证了实验结果的可行性。模拟的腐蚀磨损测试过程真实、简单、成本低，可模拟存在腐蚀的磨损条件，根据实际情况可选择不同的腐蚀液。

Description

一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢管抗磨损性能检测方法，主要用于检测冶金行业煤调湿机中不锈钢管耐磨损性能和预测使用寿命。
背景技术
煤调湿技术属于炼焦用煤预处理技术，主要应用于焦炭生产行业，该技术是通过间接或直接加热方式，来降低并控制入炉煤所含水分，即将炼焦煤料所含的水分去除一部分，保持入炉煤的水分控制在7％左右，以此降低炼焦能耗，并能提高焦炭产量和质量，达到增加效益的目的。
蒸汽煤调湿技术以蒸汽为热源，在多管回转干燥窑内对湿煤进行间接加热干燥，控制水分。该设备在生产过程中，蒸汽管道与煤直接接触，长期运行后管道会发生爆裂，对生产造成影响。
现有工艺监控手段和煤水分分析的迟后性，难以及时发现破管事故，因此生产中多在停产检修中偶有发现。每次进行更换作业时，整个机组需停机数小时，造成了巨大的经济损失。为了预测钢管使用寿命，及时更换钢管，目前方法是将试样浸入腐蚀液中进行长时间实验，定期取出试样进行外观观察和金相分析。而耐磨性能也为单独测试，这些方法只能单独测定耐腐蚀性能或耐磨损性能，无法实际模拟出工厂中钢管受到煤料磨损与腐蚀共存的情况，导致实验结果与实际误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术无法同时检测耐腐蚀和磨损性能两种性能的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：试样的加工及预处理：
将不锈钢管加工成5～10mm的试样，打上钢印编号，对所选取的试样进行磨损预处理，去除试样加工过程所造成的边缘毛刺，对试样依次用丙酮去油、盐酸除锈、去离子水冲洗，将试样用无水酒精擦洗后烘干，称重，测量试样的直径和高度，计算每个试样的表面积；
步骤2)：磨料的处理：
根据工厂球磨罐内煤料的填充率称取煤料放入球磨罐中，作为磨损腐蚀的介质使用；
将试样放入球磨罐中进行干磨，或者在球磨罐中加入腐蚀液进行湿磨，以达到同时进行腐蚀与磨损的过程，使试样的磨损程度与工厂条件下一个工作日内的磨损程度相同；
步骤3)：试样后处理：
球磨结束后，将粘附于试样表面的煤洗净并烘干，称量其质量，计算磨损量Δm及试样高度变化Δh，将试样高度变化Δh视为单位工作日内磨损厚度k；
步骤4)：根据下式计算试样使用天数x的预测值：
Figure BDA0002065247870000021
其中，公称外径D与公称壁厚t为对应试样的不锈钢管的型号得出，两者的单位相同；最小屈服强度Y为对应试样的不锈钢管的型号得出，其与最小内屈服压力P、蒸汽管的最小内屈服压力P蒸汽的单位相同，均为MPa或磅/英寸2；x为工作日天数，单位：天。
式5出自文献：API 5C3-1994.套管、油管、钻杆和管线性能的计算和公式公告[S].美国石油协会,1994。
优选地，所述步骤2)中的煤料使用前先烘干去除水份，烘干的参数条件为：105℃下烘2h。
优选地，所述步骤2)中球磨时间T1的计算方法为：
Figure BDA0002065247870000022
其中，d1、R1分别为步骤2)中球磨罐的内径、转速；d2、R2分别为工厂球磨罐的内径、转速；d1与d2、R1与R2的单位保持一致即可；T2为工厂一个工作日内的实际球磨时间，单位：h。
优选地，所述步骤3)中试样高度变化Δh的计算方法为：先根据试样密度ρ计算试样的体积变化差值△V，其计算公式为：
△V＝△m/ρ 式3；
假设试样的直径D不变，通过下式计算Δh：
△h＝4△V/πD2 式4。
更优选地，将试样重复所述步骤2)多次，直至试样的单位面积磨损率变化呈类似一次函数趋势或常值函数趋势，磨损率的计算方法如下式所示：
磨损率＝Δm/m×100％ 式2；
根据每次的损量Δm及试样高度变化Δh，所有Δh的平均值即为单位工作日内磨损厚度k。
本发明用来模拟冶金行业煤调湿过程中不锈钢蒸汽管受腐蚀与磨损环境，对不锈钢的选择进行评价并对使用寿命进行预测。
本发明通过人为添加煤料与腐蚀液，可以控制球磨过程中试样所处的环境与工厂生产实际环境相似，保证了实验结果的可行性。模拟的腐蚀磨损测试过程真实、简单、成本低，可模拟存在腐蚀的磨损条件，根据实际情况可选择不同的腐蚀液。
附图说明
图1、2为试样边缘毛刺的照片；
图3试样预处理前的照片；
图4为试样预处理后的照片；
图5为试样球磨前的照片；
图6为试样球磨前后的照片；
图7为由表2得出的单位面积磨损率的曲线图；
图8为由表2得出的单位面积磨损率变化的曲线图；
图9为试样1预处理过程中磨损率的数据表。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种不锈钢管使用寿命的预测方法：
步骤1)：试样的加工及预处理：
将不锈钢管加工成5～10mm的试样，打上钢印编号，对所选取的试样进行磨损预处理，去除试样加工过程所造成的边缘毛刺，避免影响磨损率计算；经切割得到的试样边缘存在毛刺，在球磨初期过程中会造成质量损失偏大，影响结果；对试样进行一段时间的球磨，直至试样表面光滑；
如图1、2所示，试样经过加工留下的毛刺在试验开始时会被磨损，由此质量损失计算的磨损率明显大于实际磨损，主要是由于毛刺被磨掉而引起的质量损失，因此，需要进行磨损预处理，即对试样依次用丙酮去油、盐酸除锈、去离子水冲洗，使试样表面光滑平整(图3、4为试样预处理前后的照片对比)，将试样用无水酒精擦洗后烘干，称重，测量试样的直径和高度，计算每个试样的表面积；由于煤料与不锈钢解除产生的磨损量微小，不会造成不锈钢的大体积损失，可近似认为表面积为恒定值；实验过程中煤料湿度不得高于20％，否则会导致煤料包裹在试样外阻碍试样参与磨损过程，即试样镶嵌于煤中，不会受到摩擦磨损。
步骤2)：磨料的处理：
根据工厂球磨罐内煤料的填充率称取煤料放入球磨罐中，作为磨损腐蚀的介质使用；
将试样放入球磨罐中进行干磨，或者在球磨罐中加入腐蚀液进行湿磨，以达到同时进行腐蚀与磨损的过程，使试样的磨损程度与工厂条件下一个工作日内的磨损程度相同(图5、6为试样球磨前后的照片对比)；球磨时间T1的计算方法为：
Figure BDA0002065247870000041
其中，d1、R1分别为步骤2)中球磨罐的内径、转速；d2、R2分别为工厂球磨罐的内径、转速；d1与d2、R1与R2的单位保持一致即可；T2为工厂一个工作日内的实际球磨时间，单位：h；
同一个球磨罐内避免加入多于3个试样，防止试样之间产生金属碰撞影响实验结果；
步骤3)：试样后处理：
球磨结束后，将粘附于试样表面的煤洗净并烘干，称重，分别记录每个试样的质量，每个试样球磨并称重多次(直至试样的单位面积磨损率变化呈类似一次函数趋势或常值函数趋势，一般为三次)，精确到0.0001g，取平均值，计算磨损量Δm、磨损率及试样高度变化Δh，磨损率的计算方法如下式所示：
磨损率＝Δm/m×100％ 式2；
然后根据试样密度ρ计算试样的体积变化差值△V，其计算公式为：
△V＝△m/ρ 式3；
假设试样的直径D不变，通过下式计算Δh：
△h＝4△V/πD2 式4；
将试样高度变化Δh视为单位工作日内磨损厚度k，根据下式计算试样使用天数x的预测值：
Figure BDA0002065247870000051
其中，公称外径D与公称壁厚t为对应试样的不锈钢管的型号得出，两者的单位相同；最小屈服强度Y为对应试样的不锈钢管的型号得出，其与最小内屈服压力P的单位相同，均为MPa或磅/英寸2；x为工作日天数，单位：天。
本实施例以2507双相不锈钢管为例进行以上预测。
(1)试样的加工及预处理
将直径为12mm的不锈钢柱加工成5～10mm小段，打上钢印编号1、2、3，对所选取的不锈钢试样进行5次(每次6h)磨损预处理，去除试样加工过程所造成的边缘毛刺，对试样用丙酮去油、盐酸除锈、去离子水冲洗，无水酒精擦洗后低温烘干，称重，测量圆柱体试样的直径和高度，计算表面积。
表1 试样初始条件记录
编号 初始质量(g) 处理后质量(g) 高度(mm) 表面积(mm<sup>2</sup>)
1 7.7258 7.6971 8.4 542.59
2 9.2554 9.2244 10.05 604.76
3 7.1948 7.1702 7.45 506.80
(2)磨料的处理
根据工厂生产条件和球磨罐容量250mL，称量煤料体积75～87.5cm3，使用鼓风干燥箱进行1h烘干，去除水分，添加腐蚀液6mL，进行湿磨，共3次。
按照工厂机器每天运行8h计算，由工厂生产的直径与转速计算线长，再根据实验室转速为325r/min，球磨罐内径为75mm计算可得每次球磨约5.3h可达成相同线长。
(3)试样后处理
球磨结束后将粘附于试样表面的煤洗净并烘干，称量其质量，计算损失质量以及磨损率。
磨损率计算公式：磨损率＝△m/m×100％
单位面积磨损率计算公式：单位面积磨损量＝磨损率/表面积。
表2 试样磨损率计算
Figure BDA0002065247870000061
关于球磨次数：单位面积的磨损率即(磨损率/试样表面积)，由于试样经过球磨后，尺寸变化不明显，用游标卡尺(精确到0.02mm)无法测量，因此提出假设：试样表面积保持不变。
在此假设的基础上，看单位面积磨损率呈类似一次函数趋势，或单位面积磨损率变化(可以理解为每次球磨后的增量)呈常值函数趋势，都是可行的。例如，假如将单位面积磨损率线性拟合为一次函数，单位面积磨损率变化可以视为对函数进行求导，是斜率，如果斜率保持恒定，那么函数曲线是一条直线。
实际试验存在误差，在作出的变化规律曲线图中，误差棒采用标准差Sd数值来做，中间点为平均值M，表示方法为。若其中某一数值不在(M±Sd)范围内，说明该数值存在较大误差，需要去除该数值再重新计算。
本实施例在数据处理过程中，是将单位面积磨损率变化数值输入OriginPro7.5软件中，通过“统计-描述统计-统计行”功能直接求出平均值M和标准差Sd。以表2中试样1的单位面积磨损率变化数据说明标准差判定方法：
三个数据分别为0.17、0.24、0.24，由软件进行统计，结果为M＝0.21，Sd＝0.078，三个数据都在(M±Sd)范围内，则判定为有效数据(图9中，次数为1时，对应的数据即为软件统计所得(M±Sd))。
(4)厚度变化计算
体积变化△V＝△m/ρ
其中，△m为磨损量，由称重法测得；ρ为不锈钢密度，2507不锈钢密度为8.03g/cm3；△V为体积差值。
试样的体积V＝πD2/4·h
假设试样直径不变，△h＝4△V/πD2＝4△m/(ρ·πD2)，即可通过△m计算试样高度变化△h，试样的高度变化可视为单位工作日内磨损厚度k。
表3 试样厚度变化
Figure BDA0002065247870000071
(5)寿命预测
以计算规格为Φ141.3×3的不锈钢管寿命为例，1号试样测试值计算方法为：
Figure BDA0002065247870000072
其中，公称外径D与公称壁厚t为对应试样的不锈钢管的型号得出，两者的单位相同；最小屈服强度Y为对应试样的不锈钢管的型号得出，其与最小内屈服压力P的单位相同，均为MPa；x为工作日天数，单位：天。
由上述方程式得到：x≥2802.7(天)。
即在仅考虑煤料磨损的情况下，该不锈钢管每天工作8h，约2803天(约7.68年)时会发生破坏。在实际生产过程中，在湿度较高的环境下，如梅雨季节，干燥窑设备会保持24h连续开工，以此为基准进行计算，会在2.5年左右发生破坏。
在工作过程中，回转干燥窑保持同一方向旋转，钢管只有一侧收到磨损，故该侧磨损更为严重，预测1.25年内会发生破坏。而回转干燥窑内，对磨损量产生影响的因素除了摩擦以外，还有冷热冲击等因素长期影响，实际寿命少于1.25年，与工厂使用破坏周期相符。

Claims (2)

1.一种煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：试样的加工及预处理：
将不锈钢管加工成5~10mm的试样，打上钢印编号，对所选取的试样进行磨损预处理，去除试样加工过程所造成的边缘毛刺，对试样依次用丙酮去油、盐酸除锈、去离子水冲洗，将试样用无水酒精擦洗后烘干，称重，测量试样的直径和高度，计算每个试样的表面积；
步骤2）：磨料的处理：
根据工厂球磨罐内煤料的填充率称取煤料放入球磨罐中，作为磨损腐蚀的介质使用；
将试样放入球磨罐中进行干磨，或者在球磨罐中加入腐蚀液进行湿磨，以达到同时进行腐蚀与磨损的过程，使试样的磨损程度与工厂条件下一个工作日内的磨损程度相同；
球磨时间T1的计算方法为：
Figure 671440DEST_PATH_IMAGE001
式1
其中，d1、R1分别为步骤2）中球磨罐的内径、转速；d2、R2分别为工厂球磨罐的内径、转速；d1与d2、R1与R2的单位保持一致即可；T2为工厂一个工作日内的实际球磨时间，单位：h；球磨结束后，将粘附于试样表面的煤洗净并烘干，称量其质量，计算磨损量Δm；磨损率的计算方法如下式所示：
磨损率= Δm/m×100% 式2；
单位面积磨损率计算公式：单位面积 磨损率=磨损率/表面积；将试样重复所述步骤2）多次，直至试样的单位面积磨损率变化呈类似一次函数趋势或每次球磨后增量呈常值函数趋势；
根据每次的磨损量Δm计算试样高度变化Δh；
试样高度变化Δh的计算方法为：先根据试样密度ρ计算试样的体积变化差值△V，其计算公式为：
△V = △m/ρ式3；
假设试样的直径D不变，通过下式计算Δh：
△h = 4△V/πD2式4；
所有Δh的平均值即为单位工作日内磨损厚度k；
步骤3）：根据下式计算试样使用天数x的预测值：
Figure 920018DEST_PATH_IMAGE002
式5；
其中，公称外径D与公称壁厚t为对应试样的不锈钢管的型号得出，两者的单位相同；最小屈服强度Y为对应试样的不锈钢管的型号得出，其与最小内屈服压力P、蒸汽管的最小内屈服压力P蒸汽的单位相同，均为MPa或磅/英寸2；x为工作日天数，单位：天。
2.如权利要求1所述的煤调湿机中不锈钢管使用寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤2）中的煤料使用前先烘干去除水份，烘干的参数条件为：105℃下烘2h。
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