立井復合材料罐道耐腐蝕與耐磨損試驗研究

1、立井復合材料罐道耐腐蝕與耐磨損試驗研究".)y9/,二第25卷第5期2ooo年10月煤炭JOURNALOFCHINACOALSOCIETY文章編號:02539993200005049105立井復合材料罐道耐腐蝕與耐磨損試驗研究曾憲桃,郭晉蒲許文進修;三一蘇棘_州2210o6)材料罐道耐腐蝕試驗研究,指出對立井罐道采用玻璃鋼包敷,其耐腐蝕性能滿足煤礦井筒環(huán)境使用要求同時,通過磨損試驗,提出了復合材料罐道中玻璃鋼板的最小犀度,其耐磨損壽命與耐腐蝕壽命同步,都能達到30a以上,從而減少了井筒裝備更換次數(shù),節(jié)約大量投資.關鍵詞:立井;復合材料罐道;腐蝕;磨損蘭I#筒榮莒中圖分類號:,I126

2、24;TU_5O2.3文獻標識碼:A立井裝備的罐道,罐梁是保證提升容器安全運行的承載和導向設施罐道除承受井筒高濕,酸,堿環(huán)境的腐蝕外,還要承受罐耳鋼組合罐道壽命僅有1O15a,最短的僅78a復合材料罐道是為提高罐道使用壽命達到30a而研制的它是根據(jù)罐道承受的最大水平力所需強度和剛度,選用一定厚度的鋼板-焊接或軋制成方形或矩形鋼芯經(jīng)除銹處理后,在其外表面敷一定厚圖1鋼和玻璃鋼復合道面灌澆一層防腐樹脂,其截面型式為全封閉組合型式(圖1).1一玻璃鋼;2一鋼芯;卜_防庸樹脂l復合材料罐道耐腐蝕特性研究由于復合材料罐道采用全封閉組合型式,玻璃鋼的防腐研究就處在了突出的位置玻璃鋼是一種優(yōu)良的電絕緣材料,

3、具有良好的耐酸,堿,鹽等化學介質浸蝕的能力,可在空氣濕度大,溶液酸堿度高,化學腐蝕及電化學腐蝕嚴重的環(huán)境里使用對其所作的質量分析報告表明,在一定濃度的強酸,強堿溶液中浸泡l-6個月,其質量變化一般在1%以內,耐酸性好于耐堿性,表1列出了加入特種耐磨,阻燃,抗靜電材料的玻璃鋼腐蝕試驗數(shù)據(jù).由表1并不能完全確定玻璃鋼的耐腐蝕特征,因為煤礦井筒環(huán)境的水質pH值一般在67之間,呈弱酸性,而玻璃鋼可在10%的硫酸中長期使用_1J,所以,對于煤礦井筒環(huán)境來說,玻璃鋼的耐腐蝕特性主要集中在其水浸泡特性和老化特性上.試驗表明,玻璃鋼在水中浸泡30d以后,其抗拉強度的保留率大于90%,彎曲強度保留率大于87%,

4、彈性模量保留率大于82%,吸水量小于1%;浸泡3a以后,強度保留率仍在80%以上,3a后其力學性能基本趨于穩(wěn)定.同時依據(jù)美國W.Wegenas教授的理論,玻璃鋼在水中煮沸24h相當于冷水浸泡la,對玻璃鋼進行了加速老化試驗,圖2是玻璃鋼4Oa人工老化試驗曲線_2J.從圖2可以看出,若給玻璃鋼一定的強度儲備或只用玻璃鋼作防腐層,玻璃鋼產(chǎn)品即復合材料罐道的使用壽命可以在30a以上.牧稿日期:2oo00113基童項目:建設部旆工企業(yè)新產(chǎn)品試制(技術開發(fā))項耳(9017)煤炭2000年第25卷表1改性玻璃鋼腐蝕試驗數(shù)據(jù)Table1The血taofGFRPc0nI加吲200q/8圖2玻璃鋼人工老化試驗曲

5、線F.2AgeitestcuHGFRP2耐磨性能的試驗研究磨損性能試驗在MM一200型磨損試驗機上進行.該機有上,下2個試樣軸,雙速電機驅動下試樣軸以200r/rain(或400r/min)轉動,上試樣軸以1鯽r/min(或360r/rain)轉動(圖3).當上,下試樣軸同時轉動且兩試樣直徑相等時,則上,下試樣間有1096的滑動率(上,下試樣的轉速不同所致);若改變試樣直徑,可使滑動率增大或減小;當滑動率為零時,為純滾動摩擦.2.1上,下試樣尺寸的確定鑒于MM一200磨損試驗機上,下試樣軸間間距僅能在50m以內調整,欲使上,下試樣實現(xiàn)圖3(a)純滾動摩擦,若取上,下試樣間距為47.5mm,則應

6、滿足200R180R【=.解方程式(1),得R=25rrlr/1,R=22.5Yrlrl1.試樣厚度按上,下試樣軸與試樣套裝部分重疊厚度確定=10mn12.2上,下試樣軸間壓力的確定罐道和罐耳實際安裝時要施加預緊力,該力即為罐耳與罐道滾動的正壓力,在實驗室內用上,下試樣間的軸向壓力進行模擬.MM一200型試驗機上,下試樣軸間壓力用彈簧調整,以保證模擬罐耳與罐道間的接觸應力與實際罐耳,罐道間的接觸應力相等(圖4(a).上,下兩試樣圓柱體在軸間壓力p作用下,其接觸應力和接觸寬度按下式計算_3,即(a)(b)圍3摩擦副安裝示意t(a)壤動摩擦;(b)滑動摩擦;卜一上試樣;2下試樣(b)圖4罐耳與罐道

7、同的接觸應力Fig4Theo:xltactstDeofcageshoeand第5期曾憲桃等:立井復合材料罐道耐腐蝕與耐磨損試驗研究493./4戶(K+K)RR'式中,L為上,下試樣圓柱接觸長度,L=:10m121;K,K為上,下試樣圓柱的彈性常數(shù),K)/TrE(2)(3)(1一立井裝備罐耳和罐道的實際接觸如圖4(b)所示,即Ro.,式(2),(3)可寫成d=,P/L(K+K)R.,(4)b=,4p(K+K)R/L,(5)式中,R為實際罐耳半徑,R=100,125,150,175,2001Tml;L為實際罐耳與罐道的接觸長度,即罐耳厚度,L:8O1TI;P為罐耳與罐道的預緊力J,P=1-

8、4.聯(lián)立式(4)和式(2),得p=LRRP/LR(R+R).(6)鋼,下試樣為聚氨酯時,即可進行玻璃鋼復合材料罐道與聚氨酯滾動罐耳間的滾動磨損試驗;當上試樣換成鋼,則可進行鋼罐道與聚氨酯滾動罐耳的滾動磨損試驗,如圖3(a)所示.滑動磨損試驗,如圖3(b)所示一間后,在精度為0.0001g的DTGI60分析天平上稱其質量.必須注意,試件試驗前,后必須嚴格除去油污并烘干,否則,殘余的油污會影響準確性.根據(jù)摩擦原理,磨損規(guī)律分3個階段:第1階段為磨合磨損階段,摩擦副開始運行,其磨損率隨時間增加而降低;第2階段為穩(wěn)定磨損階段,即摩擦副工作時期,磨損率保持穩(wěn)定;第3階段為劇烈磨損階段,其磨損率隨時間延長

9、而迅速增加,工作條件急劇惡化,導致摩擦副完全失效對煤礦立井提升容器罐耳和罐道這對摩擦尉來說,其宏觀磨損規(guī)律也遵循上述3個階段,只是摩擦副之間壓力較小,井筒間隙提升,運轉頻率低,穩(wěn)定磨損階段更長.用計算機模擬出立井提升高度(3001000m),提升終端荷載(60400kN)和提升速度(818m/s)相匹配的各種工況條件下30a提升循環(huán)次數(shù)(986530萬次),然后再根據(jù)MM一200型磨損試驗機運轉速度以及磨損原理,確定磨損試驗機上模擬罐耳與罐道在實際工況條件下(30a)進行的模擬磨損時間(試驗機400r/rain轉動時,磨損時間t在221410h之間)只要測出罐耳和罐道在一定的模擬磨損時間內(每

10、個試件實測85h左右)穩(wěn)定的磨損率(磨損量與磨損時間t裹2模擬磨損試驗得到的回歸方程Table2Regresslonel:llliollus0fsimuageorrim煤炭200O年第25卷回歸方程見表2),就可推算出未來30a摩擦副磨損量大小共對1l對摩擦副做了磨損試驗,其中玻璃鋼與聚氨醋的滾動磨損試驗4對,滑動磨損2對;鋼與聚氨醋滾動磨損4對,滑動磨損l對將表2得到的回歸方程分滾動和滑動磨損繪于圖5根據(jù)磨損特征曲線及模擬時間(221-410h)可得30a玻璃鋼(與聚氨酯)和0.235鋼(與聚氨酯)的磨損量見表3.罨齠30609012ol50l80量徹騷盛500/ht/h(a)(b)圖5磨損

11、試驗曲線Fig5Thetctlrvldmlliv.gricti-adbreak-avc'ayfriction(a)滾動磨損;(b)滑動磨損;b一玻璃鋼;鋼材衰3玻璃鋼30a預計磨損Table3Weare咖tofGFRPtn30years型號蝙號黧型號編號耋.2滾動20131.毗221.730042-0o712滾動303942-52.630.01300173分析與結論從圖5以及表3可知,若摩擦副之間為滾動磨損(圖5(a)則玻璃鋼的磨損量較鋼材的磨損量大.如果規(guī)定罐道表面磨損厚度為11Tffn罐道即報廢,則在滾動磨損情況下,無論是玻璃鋼復合材料罐道還是鋼罐道,其磨損壽命均能達到30a乃至更

12、高.當為滑動磨損時(圖5(b),玻璃鋼的耐磨性能優(yōu)于鋼材的耐磨性能.在實驗室條件下,鋼材的磨損量對摩擦副之間壓力響應較小,即隨著軸間壓力的上升,錒材的磨損量增加不明顯,而玻璃鋼的磨損量上升幅度較大,所以在采用玻璃鋼復合材料井筒罐道時,對罐耳和復合材料罐道之問的預緊力應仔細測定,其大小應慎重取舍,以提高復合材料罐道的耐磨壽命.另外,從式(4)和式(5)可知,當滾動磨損時,罐耳與罐道接觸中心的最大接觸應力與其接寬度和罐耳半徑的平方根成反比,所以要減少罐耳,罐道磨損量,提高其耐磨壽命,從理論上講,可以增加罐耳的厚度和半徑由于增加罐耳半徑,勢必帶來井筒直徑的加大或井筒中的構件安全問辣的減小,所以適當增

13、加罐耳與罐道的接觸寬度即增加罐耳厚度來減少罐耳與罐道的接觸應力,從而提高罐耳和罐遭耐磨損第5期曾憲桃等:立井復合材料罐道耐腐蝕與耐磨損試驗研究壽命的方法是可行的.根據(jù)試驗結果和以上分析,得到如下幾點結論:(1)鑒于滑動摩擦對罐道壽命影響較大,所以正常提升時應盡量避免出現(xiàn)滑動磨損.從表3看出,玻璃鋼30a的最大(滑動)磨損厚度僅1min多,考慮其老化后的強度折減及工廠成型要求和玻璃布的每層厚度,為保證復合材料罐道的使用壽命超過30a,建議復合材料罐道中玻璃鋼的最小厚度取為4m.(2)在保證玻璃鋼板41Tim厚的前提下,無論是玻璃鋼的耐腐蝕壽命還是耐滾動磨損壽命,都能達到3Oa乃至更高.(3)在實

14、驗條件下,鋼材(Q235)的滾動磨損特性要好于玻璃鋼,而滑動磨損特性較玻璃鋼為差.(4)實驗表明,罐耳和罐道之問接觸應力每增加50%,罐道的磨損量會增加100%(表3),所以,罐道材質(K)不變的情況下,最大接觸應力與罐耳和罐道問的接觸寬度(即罐耳厚度),罐耳半徑成反比,所以為減小接觸應力,提高罐道耐磨壽命,可以用適當增加罐耳的厚度的方法部分加以解決.(5)滑動磨損使罐耳,罐道耐磨損壽命顯著縮短,所以,在罐耳罐道投入使用后,要定期對罐耳的運行情況進行檢查,防止罐耳失去運轉能力.參考文獻:1哈爾濱建筑工程學院.玻璃鋼結構分析與設計M.北京:中國建筑工業(yè)出版杜,1981.2曾憲桃立井復合材料罐道性

15、能及其合理截面參數(shù)的研究D.徐州:中國礦業(yè)大學,1993.3徐芝倫彈性力學(上冊)M.第三版.北京:高等教育出版社,1998.4史天生,田建勝.剛性井筒裝備的設計及作用力計算盯煤炭科學技術,1990,l8(8):5-8【5溫詩鑄摩擦學原理(M.北京:清華大學出版社,1990.作者簡介:曾憲桃(1963一),男,博士,副教授.1998年畢業(yè)于西南交通大學,主要從事復合材料肪止井筒裝備腐蝕及復合材料加固既有混凝土柒的研究工作,出版專著2部,發(fā)表論文30余篇TeststudyofcorrosionperformancesandwearcharacteristicsofcompositeguideinverticalshaftZENGXian-tao,GUOJinpu2,XUWen-jin33JiangshuMiningInitule,X221006.China)Abstract:Anewtypeguide-compositeguideisstudiedinthelightoftheseriouscorrosionsituationofverticalshaftequipment,bytheteststudy0feorrosionpormancesandweareharacteristies0f.mp0si把deItispointedoutthattheco