CN1404945A - 三元复合钢管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的三元复合钢管的制备工艺及其制造方法。现有技术中尚无三元复合钢管，而该类具有综合性能的钢管有很大的市场需求。本发明的三元复合钢管是由金属、陶瓷和高分子聚合物树脂三层材料复合而成：外层金属作承载结构件、中间层陶瓷材料作耐磨件、内壁涂覆的高分子聚合物树脂作具有一定的耐腐蚀的阻结垢材料。制备时在钢管内加入陶瓷材料，通过自蔓延高温合成离心浇铸技术制得钢管内陶瓷层，再向管内加入聚合物树脂，使树脂浸渍于陶瓷中，固化即可。上述反应时，钢管以一定速度旋转，使反应材料均匀分布于管壁。这种三元复合钢管具有优越的耐磨损耐腐蚀和阻结垢性能，在电力、化工、石油、石油化工、冶金、核电、煤炭、矿山、建筑等行业中有着广泛的应用。

Description

三元复合钢管的制备方法

技术领域

本发明涉及制备三元复合钢管的关键技术是陶瓷复合钢管的制备技术，有机/无机共混树脂反应浸渍技术以及三元复合材料的制备技术。

背景技术

在电力、化工、石油、石油化工、冶金、核电、煤炭、矿山、建筑等行业中防磨耐蚀型管道有着广泛的应用。尤其对适合用在腐蚀与磨损或磨损与结垢如输送含灰渣颗粒的腐蚀性液体以及含颗粒废液流体的工况下运行的各种管道，需求量相当大。然而材料腐蚀问题是世界性难题，在工程构件应用时，材料失效的主要形式是腐蚀、磨损及断裂，其中腐蚀与磨损就占材料失效总数的80％以上。寻找新型防磨耐蚀材料仍为当今技术前沿，具有极大社会和经济效益。

目前国内外在耐磨损防腐蚀领域使用的管道为金属管道，聚合物管道，无机材料管道以及由两种材料构成的复合管道，如不锈钢管、钛管、黄铜管、10CrMoAl钢管、高铬合金铸钢管、高铬合金铸铁管、镀锌钢管，超高分子量聚乙烯管，以及各种复合管道如铸石复合钢管、陶瓷复合钢管、水泥浇铸复合钢管，树脂喷塑管、塑料内衬复合钢管、橡胶衬里复合钢管、聚四氟乙烯内衬钢管、玻璃钢管等。然而，由于材料本身的功能局限，往往仅具耐磨或仅具耐蚀单一性能，目前在石油化工、化工、电力、煤炭、制药、造纸、印刷、冶金、建材、海洋等部门服役的由这些材料制成的工程构件，常常因各种化学腐蚀介质、腐蚀性气体及海水等环境介质的作用被腐蚀掉，尤其在较高操作温度下，并伴有腐蚀与磨损共存的工况条件，材料的使用寿命极为有限，使用过程中发生的维修量及其二次费用均很大。如何有效解决在诸如较高运行温度、腐蚀与磨损、磨损与结垢以及重防腐等复杂工况下管道使用的短寿命问题是十分迫切亟待解决。

发明内容

本发明的目的是研究出一种防腐，防磨，阻结垢的三元复合钢管的制备方法。

本发明的三元复合钢管由钢管主体，陶瓷和聚合物三种材料反应复合而成，这种三元复合钢管的管壁是由金属，陶瓷和聚合物三种材料经反应加工复合而成，其外壁是金属管主体，作为承载体，中间是陶瓷材料作耐磨件，内壁层是聚合物树脂作抗腐蚀阻结垢材料。制备时先将陶瓷粉末材料加入到钢管内，用自蔓延高温合成离心浇铸技术在1600-1900℃温度下烧结反应，同时将钢管以500-1800r/min的速度离心运转，反应结束后保温1-7分钟；然后再在钢管内加入聚合物树脂，常温下将钢管以200-800r/min的速度旋转，使聚合物树脂浸渍于陶瓷中，边反应固化边致密，形成聚合物树脂内壁层。本发明适用于各种陶瓷，以三氧化二铝或硼钛为主的陶瓷材料均十分适宜。

本发明的陶瓷可以是复合陶瓷，即是以铝粉，二氧化钛，硼酸为主的复合陶瓷。该组份陶瓷性能好，适宜作防腐，阻结垢的复合钢管。氧化锆或氧化铝或二氧化硅可作为陶瓷或复合陶瓷的改性剂，它们可单独或混合使用，用以改善陶瓷表面的性能，其加入量是陶瓷总量的2-19Wt％。

改性剂的加入其粒子尺寸在微纳米级效果良好，以10nm-150μm范围适合，加入后渗透性良好，陶瓷韧性提高，反应完全。改性剂的加入可以如下例：氧化铝∶二氧化硅∶氧化锆＝(1-3)∶(0.5-1.5)∶(0.1-0.5)(重量比)；也可是：氧化锆∶氧化铝∶铁粉＝(1-4)∶(0.3-1.5)∶(0.5-1)(重量比).

陶瓷材料中加入固熔增强金属或其合金元素，以降低陶瓷的脆性及其界面结合力，提高其强度。固熔增强金属或其合金如铌，镍，钼，铁，铬金属或其合金，加入量是2-6wt％。

聚合物树脂可以是共混树脂，以改善树脂的性能，如环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基脂树脂，不饱和聚酯树脂等单一树脂或它们的共混物。加入树脂的同时需加入固化剂和促进剂，使树脂在反应温度下边反应边致密，形成聚合物树脂内壁层。

为了提高钢管内壁层尺寸稳定，增强耐磨性，降低制备成本，在聚合物树脂中加入二氧化硅、滑石粉、石膏等无机填料，加入量是：有机树脂∶无机填料＝(2-4)∶(1.0-5.5).(重量比)。制备时将有机树脂和无机粉末均匀混合成浸渍液，用离心法将树脂浸润于已烧结好的金属陶瓷复合钢管内壁，固化即可。

上述无机填料较好的是二氧化硅或二氧化钛∶滑石粉∶石膏＝(1-2)∶(0.2-0.5)∶(10-15)。

本发明用微纳米材料改性陶瓷复合钢管的制备技术是为了在钢管内层预先烧结一层致密的精细陶瓷材料，形成一定厚度的陶瓷基骨架，改进材料界面的粘结力，并消除陶瓷材料的脆性。本发明可以作为三元复合钢管的陶瓷基骨架的陶瓷材料广泛，包括各种氧化物，碳化物，硅化物，氮化物，硼化物以及氟化物等耐磨陶瓷。

聚合物树脂的反应浸渍技术可以将聚合物树脂与无机填料混合后浸渍固化于陶瓷基孔隙内，并在陶瓷表面再形成一聚合物树脂内壁层。用作三元复合钢管聚合物树脂层的树脂材料广泛，包括有机树脂如环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、固化剂和促进剂；或者是不饱和聚酯树脂、引发剂和催干剂一起使用。该领域技术人员能方便实施。

本发明三元复合钢管制备的关键技术是陶瓷复合钢管的制备技术，和聚合物树脂的反应浸渍达到三元复合材料的复合成型。按本发明所制备的三元复合钢管，陶瓷与钢管之间的界面达到冶金结合，且聚合物树脂层已涂覆浸渍到陶瓷表面并浸渍渗透到陶瓷内层，实现异种材料之间的化学结合，并填充修饰陶瓷基体固有的孔隙及微裂纹等缺陷，从而能显著改善陶瓷表面的粗糙度，降低管道内表面的阻力系数，在防磨损、防腐蚀、阻结垢管道输送领域具有广泛的应用。

本项发明制备的三元复合钢管，可通过对三元复合钢管中的三层不同材料的优化组合，制备用于实际的防磨耐蚀阻结垢工况环境最为适用最经济的防磨耐蚀管道或工程构件。

本发明所述三元复合钢管制备工艺除了用于制造各种口径的直通管道外，也适用于制造各种曲率半径的弯曲管道，T字型三通管道，十字型四通管道，大小接口管道等各种形状的异型管道。这种三元复合材料还适用于制造三元复合平板材料以及其他一些防磨耐蚀工程构件如储罐、泵体、阀门、衬板、风机、叶片等。

具体实施方式

实施例一

真空离心法制备DN30×300三元复合管直管。选用φ48外径、壁厚为4mm、长度300mm的钢管，经过除锈、装夹、两端封盖封堵。以配方为铝粉23％、硼酸20％、二氧化钛20％、铁粉16％、氧化硅6％、氧化铝粉4％、氧化锆粉8％、增韧合金元素4％等组成的混合粉料300g加入管内。1900℃高温自蔓延离心反应浇铸成型后，离心浇铸转速是1800r/min，在钢管内壁烧制一层厚度均匀、约3mm厚的具有高耐磨性能的TiB₂/Al₂O₃复合金属陶瓷直管。两端装焊PN16、DN40法兰，清理金属陶瓷复合钢管内浮渣和灰尘，装上封盖，加入180g经配混的环氧基复合共混树脂(共混树脂比例为：环氧树脂28％，聚酰胺5.5％，催化剂0.3％，二氧化硅5.5％，滑石粉2.7％，石膏粉2.7％，二甲苯33.2％，乙酸丁酯19.4％，丁酮2.7％)，室温下将钢管以800r/min旋转，使聚合物树脂均匀分布在陶瓷复合钢管直管内壁，直至聚合物共混树脂浸渍于陶瓷内，然后反应凝固固化，最后拆开封盖完成制备得到三元复合管直管。

实施例二

离心法制备DN300×3000三元复合直管。选用φ325外径、壁厚为8mm、长度3000mm的钢管，以配方为铝粉22％、氧化铁粉66％、氧化铝粉2％、氧化锆粉9％、增韧合金元素1％等组成的混合粉料28kg加入管内。高温自蔓延离心反应浇铸成型，离心浇铸转速是800r/min，在钢管内壁烧制一层厚度均匀的约3mm厚的金属陶瓷层。按照仿型尺寸，用等离子弧切割机将陶瓷复合直管切割成虾米弯弯管所需的若干坯料，然后用焊接方法组焊成虾米弯管，两端装焊PN10、DN300的法兰，清理φ325金属陶瓷复合钢管内浮渣和灰尘，装上封盖，抽真空；然后，再加入6.5kg经配混的有机无机共混树脂(共混树脂比例为：乙烯基酯树脂50％，固化剂2％，促进剂3％，二氧化硅45％，滑石粉5％)，将虾米弯弯管在特制离心机上进行旋转成型，使有机/无机共混树脂比较均匀地分布在金属陶瓷复合管弯管内壁，直至共混树脂反应固化停止旋转，最后拆开封盖，得到三元复合管弯管。

实施例三

离心法制备DN600×6000三元复合管。选用外径φ630、壁厚10mm、长度2000mm的钢管，以配方为铝粉16％、氧化铁粉48％、硼酸14％、二氧化钛14％、氧化硅2％、氧化铝粉2％、氧化锆粉2％、增韧合金元素2.5％等组成的混合粉料65kg加入管内。1750℃高温自蔓延离心反应浇铸成型，离心浇铸转速是500r/min，在钢管内壁烧制一层厚度均匀的约4mm厚的金属陶瓷层。同样方法制备三根金属陶瓷复合钢管，连接成6000mm长，直线度误差应小于2mm，两端装焊PN10、DN400的法兰，清理φ630金属陶瓷复合钢管内浮渣和灰尘，装上封盖，加入20kg经配混的不饱和聚酯基复合树脂(配混比例为：不饱和树脂26％，过氧化甲乙酮0.8％，催干剂0.3％，二氧化硅5.2％，滑石粉2.6％，沉淀硫酸钡2.6％，甲苯31.2％，乙酸丁酯18.2％，丁酮13.1％)，将钢管以200r/min旋转，使聚合物树脂均匀分布在陶瓷复合钢管内壁，至聚合物共混树脂反应凝固停止旋转，最后拆开封盖完成制备，得到大小头变径接口三元复合钢管。

Claims (9)

1.一种三元复合钢管的制备方法，由钢管主体，陶瓷和聚合物材料反应复合而成，其特征是将陶瓷材料加入钢管内用自蔓延高温合成离心浇铸技术在1600-1900℃温度下烧结反应，将钢管同时以500-1800r/min的速度旋转，然后再在钢管内加入聚合物树脂，同时将钢管以200-800r/min的速度旋转，使聚合物树脂浸渍于陶瓷中，反应固化即可。

2.根据权利要求1所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是陶瓷材料是铝粉和铁粉或铝粉和二氧化钛和硼酸的复合陶瓷。

3.根据权利要求1所述的现有复合钢管的制备方法，其特征是陶瓷材料中加入氧化锆或氧化铝或氧化硅改性剂，可单独或混合使用，加入量为2-19wt％。

4.根据权利要求3所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是改性剂粒子尺寸是微纳米级，是10nm-150μm范围。

5.根据权利要求1所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是陶瓷材料中加入固熔增强合金元素，加入量是2-6wt％。

6.根据权利要求1所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是聚合物树脂是共混树脂。

7.根据权利要求1所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是聚合物树脂中加入无机填料，加入重量比是：有机树脂∶无机填料＝(2-4)∶(1.0-5.5)。

8.根据权利要求7所述三元复合钢管的制备方法，其特征是聚合物树脂中加入的无机填料是下列一种或其混合物：二氧化硅，滑石粉，石膏。

9.根据权利要求8所述的三元复合钢管的制备方法，其特征是无机填料的加入量是二氧化硅∶滑石粉∶石膏＝(0.2-5)∶(0.2-1.0)∶(10-15)。