一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件及其制备方法与流程

本发明涉及金属管道或管件表面耐磨防腐保护技术，具体为一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件及其制备方法，利用具有双陶瓷层、双连续相的致密陶瓷层-泡沫陶瓷层/高分子复合材料对金属管道或管件表面进行耐磨耐蚀改性。

背景技术：

金属管道或管件是现代工业应用最为广泛的结构件，在使用过程中，管道或管件常常承受介质颗粒的冲蚀磨损和腐蚀作用，如：在火力发电厂、矿山和石油化工企业的用于传输泥浆、粉尘物料、腐蚀性气体、液体的金属管道或管件以及阀门、泵体等附属设备。磨损和腐蚀是降低材料寿命、增加生产成本的两个重要因素，我国每年由于磨损和腐蚀造成的直接损失约占全国国民生产总值的2％～4％左右。

例如，在火力发电厂中，为了降低二氧化硫的排放，需要对煤炭燃烧过程中产生的烟气进行脱硫处理。在脱硫处理过程中，用于传输石灰石料浆的管道或管件存在着严重磨损现象，直管使用寿命大约是一年左右，弯头使用寿命仅仅两个月。以一台800MW的火力发电机组为例，一年需要更换的脱硫管道或管件为500m左右、数十个弯头和三通，大约花费100万元，如果考虑到人员费用和更换过程对生产造成的影响，所需费用会更高。因此，提高金属材料的耐磨防腐性能是降低生产成本避免安全隐患的主要途径。

目前，国内现有的金属耐磨管主要有：陶瓷内衬管、橡胶内衬管、高铬铸钢管(铁)管、铸石钢管等。在实际应用过程中，工况条件较为恶劣，传输介质往往同时存在固态颗粒、液体并呈现一定的酸性或碱性。因此，冲刷、磨损、腐蚀会同时作用于工件表面，使现有的耐磨管道或管件普遍存在磨损快、寿命短的问题，缩短了更换周期，相应地提高了企业运行成本。

在此背景下，研发新的耐磨防腐技术，可促进我国电力、矿山、石油、化工、冶金、建筑等基础产业的技术进步，产生重大的经济和社会效益。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件及其制备方法，用于解决现有技术中输运管道或管件系统可靠性低、使用寿命短等问题，减少火力发电等企业的污染物排放。

本发明的技术方案是：

一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件，该管道或管件由内至外由耐磨耐蚀衬层和金属层构成，耐磨耐蚀衬层由面层和复合层组成，面层和复合层紧密结合在一起，构成一个整体；面层为致密陶瓷层，复合层为泡沫陶瓷层，复合层直接生长在致密陶瓷层的背面，复合层与金属管道或管件接触。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件，耐磨耐蚀衬层提供抗流体磨蚀功能，金属层提供支撑作用，金属层防止意外冲击对管道或管件带来损害；金属层包括连接法兰，耐磨耐蚀管道或管件通过金属层连接。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件，致密陶瓷层厚度在0.5mm～20mm之间，泡沫陶瓷层厚度在大于0至20mm之间，金属层的厚度在0.5mm～10mm之间；致密陶瓷层直接与管道或管件输运的流体、腐蚀或磨蚀介质接触，致密陶瓷层的孔隙率在5％以下；泡沫陶瓷层的孔隙率在30％～90％之间，泡沫陶瓷层的孔径大小在0.1mm～7mm之间。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件，耐磨耐蚀管道或管件包括等径、变径的大小头、三通或弯头输运管件。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件，耐磨耐蚀衬层是整体的或者分体组合的；在分体组合时，各单元件间过度平滑、无明显间隙或台阶；在以整体或分体组合方式使用时，耐磨耐蚀衬层与金属构件之间有不超过5mm的间隙。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，首先，将致密-泡沫一体化陶瓷衬层制备成所需要的形状和尺寸；然后，对需要防护的表面进行毛化处理或沟槽化加工，提高高分子粘结剂与金属的结合力；再后，将陶瓷衬层通过机械配合、连接、焊接、粘接或镶嵌的方式固定到金属件表面；接着，利用常压灌注、离心灌注、真空吸注或注射成型方法将液体高分子粘结剂注入到泡沫陶瓷网孔内，经固化、硫化或凝固后，获得致密陶瓷层-泡沫陶瓷层/高分子双连续相复合材料耐磨耐蚀保护层，并同时实现保护层与金属被防护件的牢固结合。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，制备步骤如下： ①、将有机树脂与陶瓷微粒、固化剂、溶剂均匀混合；②、将前述混合料造粒；③、把②所述粒状原料均匀铺设在模具中，加压得到致密陶瓷层坯体；④、在①所得混合料中加入溶剂，得到液态料浆，将泡沫塑料在液态料浆中重复浸泡、烘干过程，得到所需体积分数的泡沫陶瓷层坯体；⑤、在③所得到的致密陶瓷层坯体一侧表面均匀刷一层液态料浆，然后将泡沫陶瓷层坯体粘接在致密陶瓷层坯体表面，得到耐磨耐蚀衬层的坯体；⑥、将耐磨耐蚀衬层坯体放入定型模具，固化定型；⑦、对定型后样品进行机械加工至规定尺寸，然后粘接为整体样品的形状；如果采用分体式结构，不用粘接；⑧、进行热解、烧结步骤，得到成品耐磨耐蚀衬层；⑨、将金属管道或管件表面毛化处理或进行沟槽化加工，将耐磨耐蚀衬层用高分子粘结剂粘接在金属管道或管件表面，得到完整的耐磨耐蚀管道或管件制品。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，具体步骤如下：

(1)按树脂∶陶瓷微粒∶固化剂＝100∶(20～400)∶(2～20)的质量比例混合上述原料，球磨0.5～2小时后得到料粉，料粉中各物料混合均匀；

(2)取步骤(1)所得料粉，按料粉∶溶剂＝100∶(100～500)的质量比例配制液态料浆，再将泡沫塑料在料浆中充分浸泡后挤去多余料浆，之后在50℃～150℃之间风干；风干后样品再次浸入料浆，吹去孔间多余料浆，再50℃～150℃风干；如此重复上述步骤3～10遍，得到所需要的泡沫陶瓷层前驱体；

(3)取步骤(1)所得料粉，按料粉∶溶剂＝100∶(2～100)的质量比例配制，混匀后造粒，粒度大小在直径0.05mm～4mm之间，将造粒后原料在填充在模具中加压成型，施加压力为1MPa～50MPa之间，保压5～10min，出模后得到所需要的致密陶瓷片；

(4)将步骤(2)得到的泡沫陶瓷层前驱体和步骤(3)得到的致密陶瓷片用步骤(2)的料浆粘接在一起，再放入管道或管件模具中加热固化定型；在此步骤中，泡沫陶瓷层在外侧，致密陶瓷层在里侧，操作温度为80℃～400℃之间；

(5)固化定型后的样品经机加工手段得到合适的形状，将对应的样件粘接为一个整体；

(6)粘接后的整体样品经热解、烧结的步骤得到双陶瓷层耐磨耐蚀衬层成品；

(7)将耐磨耐蚀衬层成品与金属件用粘接剂复合在一起，得到成品耐磨防腐耐蚀管道或管件。

所述的具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，陶瓷微粒为碳化硅、氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼或玻璃中的一种或两种以上的混合物，陶瓷微粒的平均直径在20nm～2mm之间；树脂为酚醛树脂、改性的酚醛树脂或环氧树脂，树脂形态为固体粉末或液体；溶剂为有机溶剂：酒精、丙酮或对甲苯，或者溶剂为无机溶剂：水。

本发明具有如下优点及有益效果：

1、提高工件的耐磨性能

陶瓷材料具有高强度、高模量、高硬度、抗氧化、耐磨耐蚀等性能，将陶瓷材料制备成具有泡沫+致密陶瓷层的双陶瓷层复合结构的整体陶瓷，则既能有效发挥陶瓷材料的耐磨优势，又能发挥三维网络结构的构造优势，使制备出的陶瓷衬层不但具有良好的耐磨性能，而且与金属构件间具有良好的粘接复合性能。

2、提高工件的耐腐蚀能力，消除因腐蚀导致工件失效所产生的安全隐患，延长工件的使用寿命、降低生产成本。

在本发明中，由致密陶瓷材料构成的管道或管件内壁将具有磨蚀性的流体与金属构件完全隔绝，能长期避免流体对金属件的腐蚀，延长工件的使用周期，进而减少了企业的维护和更换费用。

3、采用了一体成型、整体粘接复合技术，不存在剥落现象

本发明中的陶瓷衬层可以制备成与工件相匹配的尺寸和形状，采用直接粘接、镶嵌、卡装的方式固定在工件的表面，避免了普通陶瓷拼接衬层由于局部区域树脂粘接强度低而产生的小块剥落，进而引起大面积剥落导致的耐磨耐蚀衬层失效的现象。

总之，本发明提出了一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法。在该方法中，陶瓷衬层包含致密陶瓷层和泡沫陶瓷层，泡沫陶瓷层生长在致密陶瓷层上，两者是一个整体，不存在结合缝隙。其中，致密陶瓷层与被输运的流体直接接触，提供耐磨耐蚀性能。泡沫陶瓷层与有机树脂粘接剂复合，并通过粘接剂与金属构件粘接在一起，主要起到固定陶瓷层的作用，并且在致密陶瓷层失效的情况下，提供部分耐磨耐蚀性能。通过这种结构，将流体与金属构件分离开来，消除安全隐患，延长工件使用寿命。工作于磨损、腐蚀以及两者并存的环境中的金属构件均可采用本发明提供的保护方法，以获得提高设备和工件的使用寿命，提高工作效率，降低生产成本的使用效果。

附图说明

图1为双陶瓷衬层耐磨耐蚀管道的制备工艺流程图。

图2为烧结完毕得到的双陶瓷层耐磨耐蚀衬层。

图3为复合后耐磨耐蚀管道或管件剖面结构示意图。图中，1致密陶瓷层；2泡沫陶瓷层；3金属层。

具体实施方式

如图1所示，本发明双陶瓷衬层耐磨耐蚀管道的制备工艺流程包括：制备混合料粉→造粒、配制料浆→模压成片、制备泡沫(泡沫陶瓷层)前驱体→粘合→模具中热固化定型→机加工、粘接成型→热解、烧结→复合得成品，具体如下：

(1)按树脂∶陶瓷微粒∶固化剂＝100∶(20～400)∶(2～20)的质量比例混合上述原料，球磨0.5～2小时后得到料粉，料粉中各物料混合均匀，没有明显的团聚现象；其中，树脂∶陶瓷微粒∶固化剂的优选质量比为100∶(30～350)∶(3～18)；

(2)取步骤(1)所得料粉，按料粉∶溶剂＝100∶(100～500)的质量比例配制液态料浆，再将合适大小的泡沫塑料在料浆中充分浸泡后挤去多余料浆，之后在50℃～150℃之间风干。风干后样品再次浸入料浆，吹去孔间多余料浆，再50℃～150℃风干。如此重复上述步骤3～10遍，得到所需要的泡沫陶瓷层前驱体；

(3)取步骤(1)所得料粉，按料粉∶溶剂＝100∶(2～100)的质量比例配制，混匀后造粒，粒度大小在直径0.05mm～4mm之间，将造粒后原料在填充在模具中加压成型，施加压力为1MPa～50MPa之间，保压5～10min，出模后得到所需要的致密陶瓷片，致密陶瓷片的厚度可由模具的高度和装填料粉的多少来调控；

(4)将步骤(2)得到的泡沫陶瓷层前驱体和步骤(3)得到的致密陶瓷片用步骤(2)的料浆粘接在一起，再放入管道或管件模具中加热固化定型。在此步骤中，泡沫陶瓷层在外侧，致密陶瓷层在里侧，操作温度为80℃～400℃之间；

(5)固化定型后的样品经切割、修型等机加工手段得到合适的形状，将对应的样件粘接为一个整体；

(6)粘接后的整体样品经热解、烧结的步骤得到双陶瓷层耐磨耐蚀衬层成品(图2)；

(7)将耐磨耐蚀衬层成品与金属件用粘接剂复合在一起，复合方法见中国发 明专利《一种金属构件表面耐磨防腐改性的方法，申请号201110287042.4》，得到成品耐磨防腐耐蚀管道或管件。

如图3所示，本发明复合后耐磨耐蚀管道或管件，由内至外由耐磨耐蚀衬层和金属层3构成，耐磨耐蚀衬层提供抗流体磨蚀功能，金属层3提供支撑作用，金属层防止意外冲击对管道或管件带来损害；金属层3包括连接法兰，耐磨耐蚀管道或管件通过金属层3连接。耐磨耐蚀衬层又由面层和复合层组成，面层和复合层紧密结合在一起，构成一个整体。面层为致密陶瓷层1，厚度在0.5mm～20mm之间，该面层直接与管道或管件输运的流体、腐蚀、磨蚀介质接触，提供比金属管道或管件更好的耐磨、耐蚀性能。复合层为泡沫陶瓷层2，直接生长在致密陶瓷层1的背面，与金属管道或管件接触，复合层中填充粘接剂，通过该粘接剂将耐磨耐蚀衬层与金属管道或管件粘接在一起。其中，粘接剂可以为环氧类树脂或酚醛类树脂等有机粘接剂，粘接剂也可以为粘土、氧化铝胶或氧化硅胶等无机粘接剂。复合层的泡沫陶瓷结构有助于提供更稳定、更牢固的粘接效果，其厚度在大于0至20mm之间。最外面的金属层主要提供支撑作用，材料为铸铁、不锈钢等，金属层的厚度根据不同的使用场合在0.5mm～10mm之间。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将质量比糠酮树脂∶碳化硅微粒(平均直径10μm)∶对甲苯磺酸＝100∶120∶5的比例混合上述原料，球磨1小时后得到料粉，料粉中各物料混合均匀，没有明显的团聚现象；

(2)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶200的比例配制液态料浆，再将厚度为5mm的泡沫塑料在料浆中充分浸泡后挤去多余料浆，之后在120℃风干。风干后样品再次浸入料浆，吹去孔间多余料浆，再120℃高温风干。如此重复上述步骤5遍，得到所需要的泡沫陶瓷层前驱体；

(3)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶20的比例配制，混匀后造粒，颗粒平均直径为2mm，将造粒后原料在填充在模具中加压成型，施加压力为20MPa，保压5min，出模后得到所需要的致密陶瓷片，致密陶瓷片的厚度为6mm；

(4)将(2)得到的泡沫陶瓷层前驱体和(3)得到的致密陶瓷片用步骤(2)的料浆粘接在一起，粘接剂为环氧树脂，再放入管道或管件模具中加热固化定型。在此步骤中，泡沫陶瓷层在外侧，致密陶瓷层在里侧，固化温度为200℃；

(5)固化定型后的样品经切割、修型等机加工手段得到合适的形状，将对应的样件粘接为一个整体，形状为90°弯头，外径100mm，内径90mm；

(6)粘接后的整体样品经热解、烧结的步骤得到耐磨耐蚀衬层成品；

(7)将耐磨耐蚀衬层成品与金属件用粘接剂复合在一起，复合方法见专利《一种金属构件表面耐磨防腐改性的方法》(申请号201110287042.4)，得到成品耐磨防腐耐蚀管道或管件。

实施例2

本实施例中，具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将质量比环氧树脂∶氧化铝微粒∶柠檬酸＝100∶50∶5的比例混合上述原料，球磨2小时后得到料浆；所述氧化铝微粒粒度为2微米；

(2)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶200的比例配制液态料浆，再将厚度为5mm的泡沫塑料在料浆中充分浸泡后挤去多余料浆，之后在120℃风干。风干后样品再次浸入料浆，吹去孔间多余料浆，再120℃高温风干。如此重复上述步骤5遍，得到所需要的泡沫陶瓷层前驱体；

(3)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶20的比例配制，混匀后造粒，颗粒平均直径为2mm，将造粒后原料在填充在模具中加压成型，施加压力为20MPa，保压5min，出模后得到所需要的致密陶瓷片，致密陶瓷片的厚度为6mm；

(4)将(2)得到的泡沫陶瓷层前驱体和(3)得到的致密陶瓷片用步骤(2)的料浆粘接在一起，粘接剂为酚醛树脂，再放入管道或管件模具中加热固化定型。在此步骤中，泡沫陶瓷层在外侧，致密陶瓷层在里侧，固化温度为200℃；

(5)固化定型后的样品经切割、修型等机加工手段得到合适的形状，将对应的样件粘接为一个整体，形状为90°弯头，外径100mm，内径90mm；

(6)粘接后的整体样品经热解、烧结的步骤得到耐磨耐蚀衬层成品；

(7)将耐磨耐蚀衬层成品与金属件用粘接剂复合在一起，复合方法见专利《一种金属构件表面耐磨防腐改性的方法》(申请号201110287042.4)，得到成品耐磨 防腐耐蚀弯头。

实施例3

本实施例中，具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将质量比酚醛树脂∶碳化硅微粒∶对甲苯磺酸＝100∶50∶5的比例混合上述原料，球磨2小时后得到料浆；所述碳化硅微粒粒度为2微米。

(2)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶200的比例配制液态料浆，再将厚度为5mm的泡沫塑料在料浆中充分浸泡后挤去多余料浆，之后在120℃风干。风干后样品再次浸入料浆，吹去孔间多余料浆，再120℃高温风干。如此重复上述步骤5遍，得到所需要的泡沫陶瓷层前驱体；

(3)将(1)所得料粉以质量比料粉∶酒精＝100∶20的比例配制，混匀后造粒，颗粒平均直径为2mm，将造粒后原料在填充在模具中加压成型，施加压力为20MPa，保压5min，出模后得到所需要的致密陶瓷片，致密陶瓷片的厚度为6mm；

(4)将(2)得到的泡沫陶瓷层前驱体和(3)得到的致密陶瓷片用步骤(2)的料浆粘接在一起，粘接剂为铝溶胶，再放入管道或管件模具中加热固化定型。在此步骤中，泡沫陶瓷层在外侧，致密陶瓷层在里侧，固化温度为200℃；

(5)固化定型后的样品经切割、修型等机加工手段得到合适的形状，将对应的样件粘接为一个整体，形状为90°弯头，外径100mm，内径90mm；

(6)粘接后的整体样品经热解、烧结的步骤得到耐磨耐蚀陶瓷衬层成品；

(7)将耐磨耐蚀衬层成品与金属件用粘接剂复合在一起，复合方法见专利《一种金属构件表面耐磨防腐改性的方法》(申请号201110287042.4)，得到成品耐磨防腐耐蚀弯头。

实施例4

与实施例3不同之处在于，本实施例采用水为溶剂，其余步骤同实施例3。

实施例5

与实施例3不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，氨酚醛树脂∶碳化硅微粒∶六次甲基四胺＝100∶50∶5，球磨2小时后得到料浆，碳化硅微粒粒度为2微米。其余步骤与实施例3相同。

实施例6

与实施例3不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，氨酚醛树脂∶氧化硅微粒∶六次甲基四胺＝100∶50∶5，球磨2小时后得到料浆，氧化硅微粒粒度为2微米。

其余步骤与实施例3相同。

实施例7

与实施例6不同之处在于，本实施例所用陶瓷微粒为氮化硅微粒，氮化硅微粒粒度为5微米，其余步骤与实施例6相同。

实施例8

与实施例6不同之处在于，本实施例所用陶瓷微粒为氮化硼微粒，氮化硼微粒粒度为10微米，其余步骤与实施例6相同。

实施例9

与实施例1不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，糠酮树脂∶碳化硅微粒(平均直径10μm)∶对甲苯磺酸＝100∶240∶5，其余步骤同实施例1。

实施例10

与实施例2不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，环氧树脂∶氧化铝微粒(平均直径20μm)∶柠檬酸＝100∶200∶5，其余步骤同实施例2。

实施例11

与实施例3不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，酚醛树脂∶碳化硅微粒∶对甲苯磺酸＝100∶200∶5，碳化硅微粒粒度为1～10微米，其余步骤同实施例3。

实施例12

与实施例4不同之处在于，本实施例料粉质量配比为，酚醛树脂∶碳化硅微粒∶对甲苯磺酸＝100∶200∶5，碳化硅微粒粒度为1～10微米，其余步骤同实施例4。

实施例结果表明，本发明所制备的陶瓷衬层耐磨耐蚀管道或管件，其耐磨寿命可达到衬胶耐磨层的5～10倍，并且对于酸碱腐蚀、高温冲击均有优良的耐受性，能有效延长管道或管件设备的更换周期，从而降低企业运营成本，减少颗粒污染物的排放。