Khác với ống gốm tích hợp và ống gốm composite đúc, ống lót gốm loại vá-có cấu trúc linh hoạt, khả năng thích ứng với các phụ kiện đường ống đặc biệt như khuỷu tay và chữ T, sửa chữa cục bộ thuận tiện và hiệu suất chi phí toàn diện vượt trội. Trong quá trình-vận chuyển đường dài các vật liệu hạt có độ cứng- cao như tro than, bột khoáng, xỉ và bùn quặng, ống thép liền mạch truyền thống, ống hợp kim-chống mài mòn và ống lót cao su- có những khuyết điểm nổi bật như thành mỏng nhanh, rò rỉ thủng và ngừng bảo trì thường xuyên. Ống composite vá gốm giải quyết hiệu quả các điểm đau do mài mòn đường ống, xói mòn và ăn mòn trung bình. Bài viết này trình bày chi tiết về thành phần cấu trúc cũng như các đặc tính vật lý và hóa học của ống composite vá gốm, so sánh lợi thế cạnh tranh khác biệt của nó với các đường ống-chống mài mòn khác, phân loại-các trường ứng dụng công nghiệp và các điểm chính trong kịch bản đầy đủ, phân tích các nguyên nhân hư hỏng điển hình và các biện pháp phòng ngừa trong hoạt động thực tế, đồng thời dự báo xu hướng phát triển thị trường dựa trên nền tảng tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ trong ngành công nghiệp nặng, để cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật cho quá trình chuyển đổi chống mài mòn đường ống của các doanh nghiệp vận chuyển vật liệu rời.
Đường ống vận chuyển vật liệu dạng bột và dạng hạt được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm sản xuất nhiệt điện, khai thác than, luyện kim, chế biến khoáng sản, sản xuất xi măng, công nghiệp hóa chất và xử lý chất thải rắn. Môi trường trong các đường ống này chủ yếu chịu sự ăn mòn của các hạt rắn, sự cọ rửa của chất lỏng, sự ăn mòn của môi trường axit{1}}bazơ và tác động của biến động nhiệt độ. Trong điều kiện cọ rửa hạt mạnh, đường ống thép carbon thông thường bị mài mòn nghiêm trọng trong vòng 3 đến 12 tháng, dẫn đến thủng thành ống, rò rỉ vật liệu, ô nhiễm môi trường và buộc phải ngừng hoạt động để bảo trì. Mặc dù ống gang có hàm lượng crom-cao thể hiện khả năng chống mài mòn được cải thiện nhưng trọng lượng đáng kể của chúng gây áp lực đáng kể lên các cấu trúc đỡ đường ống, làm phức tạp quá trình uốn cho các khuỷu và ống có hình dạng đặc biệt, đồng thời làm tăng chi phí chuyển đổi tổng thể. Ống composite lót bằng cao su-có khả năng giảm chấn tốt; tuy nhiên, chúng dễ bị lão hóa, mềm và bong ra dưới nhiệt độ cao và bị cắt hạt sắc nhọn, khiến chúng không thích hợp để vận chuyển xỉ nhiệt độ cao và tro nóng. Ống composite bằng thép gốm thiêu kết tích hợp thể hiện khả năng chống mài mòn đặc biệt; tuy nhiên, việc sản xuất chúng bị hạn chế bởi những hạn chế về chiều dài và đường kính ống. Hơn nữa, một khi hư hỏng cục bộ xảy ra, toàn bộ đường ống phải được thay thế, dẫn đến lãng phí vật liệu đáng kể. Ống composite vá gốm đã ra đời để giải quyết những thiếu sót này. Nó sử dụng thiết kế lót gạch men mô-đun có thể được tùy chỉnh tại chỗ-cho các ống thẳng, khuỷu ống, bộ giảm tốc, ống nối chữ T và các phụ kiện đường ống phức tạp khác, cho phép sửa chữa có mục tiêu các đường ống bị mòn và cân bằng khả năng chống mài mòn, tính linh hoạt trong thi công cũng như chi phí sử dụng toàn bộ{15}}chu trình. Đây đã trở thành giải pháp kỹ thuật chủ đạo nhằm cải tiến{17}các đường ống vận chuyển công nghiệp chống mài mòn trong những năm gần đây. Thành phần cấu trúc và đặc tính vật liệu cốt lõi của ống composite mảng gốm 2.1 Thành phần cấu trúc hỗn hợp Sản phẩm sử dụng cấu trúc hỗn hợp ba lớp từ bên ngoài đến bên trong: đế ống thép bên ngoài, lớp keo dính chịu mài mòn ở nhiệt độ cao ở giữa-{22}}và lớp lót miếng vá gốm alumina bên trong. Ống thép bên ngoài, được làm bằng Q235 hoặc ống thép liền mạch, chịu áp lực đường ống, tải trọng bên ngoài và cụm hàn, đảm bảo độ cứng kết cấu tổng thể của đường ống. Lớp kết dính ở giữa sử dụng chất kết dính kết cấu epoxy hoặc chất kết dính nhiệt độ cao -vô cơ chuyên dụng để liên kết các miếng gốm với ống thép, hấp thụ một phần năng lượng va chạm của hạt và cách ly môi trường ăn mòn tiếp xúc với ma trận thép. Lớp lót bên trong bao gồm các miếng gốm alumina hình vuông, lục giác hoặc hình vòng cung -thông thường (loại alumina phổ biến 92%/95%). Các miếng gốm hình lục giác được sắp xếp so le để tránh các mối nối thẳng trong lớp lót, ngăn chặn sự thâm nhập của bùn và khử keo. Đối với các điều kiện làm việc chịu va đập nặng, có thể sử dụng các miếng vá gốm alumina cường lực zirconia (ZTA) để nâng cao hiệu suất chống nứt.
2.2 Các tính chất vật lý và hóa học chính của lớp lót gốm Miếng gốm alumina có độ cứng Mohs lên tới 9, cao hơn đáng kể so với quặng thạch anh, gangue, tro bay và các hạt vận chuyển khác, có khả năng chống mài mòn gấp 20 đến 30 lần so với thép cacbon thông thường và gấp 8 đến 10 lần so với thép mangan. Thân gốm dày đặc với độ xốp thấp và độ trơ hóa học mạnh, chống lại sự ăn mòn từ axit sulfuric, axit clohydric, nước axit bùn than và nước tro kiềm, mà không bị hòa tan hoặc hư hỏng lớp lót. Lớp lót gốm có độ mịn bề mặt cao và hệ số ma sát thấp nên ít bị bám dính vào bột ướt và bùn nhớt, từ đó tránh được tình trạng tắc nghẽn đường ống do vật liệu treo trên tường. Về khả năng thích ứng với nhiệt độ, các ống vá dính thông thường có thể hoạt động ổn định từ -30 độ đến 180 độ, trong khi{13}}ống composite kết dính vô cơ có nhiệt độ cao có thể được sử dụng trong thời gian dài dưới 350 độ, hỗ trợ vận chuyển xỉ nóng và tro khí thải nhiệt độ cao. Ứng dụng toàn diện Ưu điểm của ống composite gốm vá
3.1 Tuổi thọ sử dụng siêu dài và chi phí vận hành toàn diện thấp Trong các điều kiện vận chuyển giống nhau, tuổi thọ sử dụng của đường ống composite vá gốm đạt từ 5 đến 8 năm, dài hơn đáng kể so với ống thép hợp kim và ống cao su. Ưu điểm chính của cấu trúc miếng vá là khả năng sửa chữa một phần: chỉ miếng vá gốm ở vị trí khuỷu tay bị mòn nghiêm trọng mới cần thay thế mà không cần phải cắt và thay thế toàn bộ đường ống. Điều này giúp giảm hơn 70% chi phí bảo trì và rút ngắn đáng kể thời gian bảo trì, từ đó giảm thiểu thiệt hại kinh tế do ngừng sản xuất. Mặc dù khoản đầu tư ban đầu cao hơn so với ống thép thông thường nhưng chi phí toàn diện, bao gồm thay thế vật liệu, bảo trì và tổn thất khi ngừng hoạt động, giảm hơn 60% trong toàn bộ vòng đời.
3.2 Khả năng thích ứng cao với các phụ kiện đường ống phức tạp và điều kiện xây dựng-tại chỗ Ống composite bằng gốm tích hợp phải đối mặt với những thách thức trong việc sản xuất ống có đường kính cực lớn và ống cong có hình dạng đặc biệt. Ngược lại, các miếng vá gốm có thể được cắt và sắp xếp chính xác tại chỗ-để phù hợp với đường viền thành bên trong của khuỷu tay, ống chia đôi và bộ phận thu nhỏ hình nón, mang lại tính linh hoạt cao trong việc tạo hình. Quá trình xây dựng được thực hiện tốt-bao gồm tẩy rỉ sét và đánh bóng thành trong của ống thép, bôi keo và dán các miếng gốm để bảo dưỡng và tạo khuôn. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ nhu cầu xử lý cơ học-quy mô lớn, khiến phương pháp này rất phù hợp cho các dự án cải tạo đường ống cũ trong các nhà máy có không gian xây dựng hạn chế.
3.3 Hiệu suất năng lượng, ổn định dòng chảy và lợi ích bảo vệ môi trường Thành bên trong bằng gốm mịn làm giảm lực cản vận chuyển đường ống, dẫn đến giảm 8%–15% mức tiêu thụ điện năng cho quạt và thiết bị bơm, nhờ đó đạt được mức tiết kiệm năng lượng trong hệ thống vận chuyển. Việc không có rò rỉ đường ống giúp ngăn ngừa lãng phí vật liệu và ô nhiễm mặt đất do rò rỉ tro và bùn quặng. Lớp lót bằng gốm không-độc hại và không gây ô nhiễm-, khiến nó phù hợp để vận chuyển nguyên liệu khoáng sản kim loại màu-và tránh ô nhiễm sắt do mài mòn ống thép.
3.4 Hiệu suất chống tắc nghẽn-xuất sắc Ống kim loại và cao su dễ bị bám dính và đóng cặn vật liệu khi vận chuyển bột than mịn có độ ẩm cao và bùn quặng đậm đặc. Bề mặt gốm dày đặc thể hiện lực hấp phụ yếu trên vật liệu ướt, ức chế hiệu quả sự đóng cặn tường và tắc nghẽn đường ống, đồng thời giảm tần suất các hoạt động nạo vét và làm sạch đường ống. Kịch bản ứng dụng công nghiệp điển hình.
4.1 Công nghiệp nhiệt điện Đây là lĩnh vực ứng dụng trưởng thành nhất, trong đó các lớp lót bằng gốm được sử dụng trong các đường ống vận chuyển bột than, đường ống vận chuyển tro khô tro bay, đường ống dẫn bùn nước xỉ, khuỷu ống khử lưu huỳnh nồi hơi và ống nối phễu tro. Các khuỷu tay là bộ phận bị mài mòn nghiêm trọng nhất trong đường ống tro và việc sử dụng lớp lót bằng gốm có thể giải quyết hoàn toàn vấn đề thủng thường xuyên ở các khuỷu vận chuyển tro của các nhà máy điện.
4.2 Mỏ than và công nghiệp hóa chất than Lớp lót vá gốm được áp dụng trong các đường ống dẫn bùn than ngầm, đường ống làm đầy gangue và đường ống vận chuyển bùn rửa than thô, thích ứng với môi trường làm việc dưới lòng đất ẩm ướt và ăn mòn và chống lại tác động của hạt rắn và ăn mòn nước ngầm.
4.3 Luyện kim và chế biến khoáng sản Những lớp lót này được sử dụng trong bùn tập trung quặng sắt, đường ống vận chuyển chất thải, đường ống dẫn nước xỉ lò cao của nhà máy thép và đường ống vận chuyển tro thiêu kết. Đối với-vận chuyển bùn quặng ở khoảng cách xa, ống composite vá gốm giúp giảm mài mòn đường ống và đảm bảo máy tập trung hoạt động liên tục.
4.4 Xi măng và Vật liệu xây dựng mới Lớp lót bằng gốm được sử dụng trong đường ống vận chuyển bột thô xi măng, khuỷu vận chuyển tro clinker và đường ống xả xỉ của nhà máy thẳng đứng, giải quyết vấn đề mài mòn do clinker xi măng có độ cứng cao trên thành đường ống gây ra.
4.5 Xử lý chất thải rắn và hóa chất Các lớp lót này được sử dụng trong các đường ống vận chuyển tro bay của lò đốt và bùn hóa học ăn mòn, tận dụng khả năng chống ăn mòn gốm để kéo dài tuổi thọ của đường ống. Các dạng hư hỏng phổ biến và các biện pháp tối ưu hóa phòng ngừa Trong hoạt động thực tế, các hư hỏng chính của ống composite mảng gốm là nứt gốm và khử keo trong lớp lót, hầu hết là do thực hành xây dựng không theo tiêu chuẩn và lựa chọn mô hình không phù hợp chứ không phải do các khiếm khuyết cố hữu trong chính vật liệu gốm. Thứ nhất, quá trình khử keo và bong tróc có thể xảy ra do quá trình loại bỏ rỉ sét không hoàn toàn khỏi thành trong của ống thép, thi công trong môi trường-có độ ẩm cao hoặc sử dụng ở nhiệt độ vượt quá giới hạn chịu nhiệt độ của chất kết dính. Các biện pháp tối ưu hóa bao gồm phun bi để loại bỏ rỉ sét ở ống thép, tiến hành xây dựng trong môi trường khô ráo và chọn chất kết dính vô cơ có nhiệt độ-cao cho điều kiện vận hành ở nhiệt độ-cao. Thứ hai, sự phân mảnh miếng gốm có thể xảy ra do việc sử dụng gốm alumina thông thường ở các khuỷu chịu tác động rơi-lớn, dẫn đến nứt giòn. Tối ưu hóa bao gồm việc định cấu hình các miếng vá gốm cường lực ZTA cho các vị trí bị va đập nặng và áp dụng cách sắp xếp hình lục giác so le để phân tán ứng suất va chạm. Thứ ba, sự mài mòn tập trung cục bộ có thể xảy ra khi mối nối vá không hợp lý dẫn đến hiện tượng xoáy vật liệu cọ rửa ở các đường nối. Tối ưu hóa bao gồm việc sử dụng gạch men vát cạnh để đóng các cạnh nhằm giảm dòng xoáy.
5. Các phương thức hư hỏng thường gặp và chiến lược tối ưu hóa phòng ngừa Trong quá trình vận hành thực tế, các hư hỏng chính được quan sát thấy trong các ống composite vá gốm là nứt gốm và khử keo trong lớp lót, chủ yếu là do thực hành xây dựng không theo tiêu chuẩn và lựa chọn mô hình không phù hợp chứ không phải do các sai sót cố hữu trong chính vật liệu gốm. Thứ nhất, hiện tượng khử keo và bong tróc xảy ra do việc loại bỏ rỉ sét khỏi thành trong của ống thép không đủ, thi công trong môi trường-có độ ẩm cao và sử dụng ở nhiệt độ vượt quá giới hạn chịu nhiệt của chất kết dính. Các chiến lược tối ưu hóa bao gồm sử dụng phương pháp phun nổ để loại bỏ rỉ sét khỏi ống thép, tiến hành xây dựng trong môi trường khô ráo và chọn chất kết dính vô cơ có nhiệt độ-cao cho điều kiện vận hành ở nhiệt độ-cao. Thứ hai, sự phân mảnh của miếng gốm phát sinh từ việc sử dụng gốm alumina thông thường ở khuỷu tay chịu tác động đáng kể từ vật liệu rơi xuống, dẫn đến gãy giòn. Tối ưu hóa bao gồm việc triển khai các miếng vá gốm cường lực ZTA tại các vị trí bị ảnh hưởng nặng nề và áp dụng cách sắp xếp hình lục giác so le để phân tán ứng suất va chạm. Thứ ba, mài mòn tập trung cục bộ là kết quả của việc nối các miếng vá không hợp lý, gây ra hiện tượng xói mòn xoáy vật liệu ở các đường nối. Việc tối ưu hóa đòi hỏi phải sử dụng gạch men vát cạnh để đóng các cạnh nhằm giảm thiểu dòng xoáy.
6. Triển vọng và kết luận phát triển ngành Với các quy định nghiêm ngặt của quốc gia về tiêu thụ năng lượng công nghiệp, khí thải ô nhiễm và sản xuất an toàn, các doanh nghiệp công nghiệp nặng có nhu cầu lớn về đường ống có tuổi thọ cao-chống mài mòn- nhằm giảm thiểu rủi ro bảo trì và rò rỉ. Ống composite vá gốm sẵn sàng tăng thêm thị phần của họ trong việc cải tạo đường ống cũ nhờ cấu trúc linh hoạt và độ phức tạp cải tạo thấp. Ở cấp độ vật liệu, việc phát triển nguyên liệu gốm bauxite có độ tinh khiết cao-chi phí cao{6}}và chất kết dính cấu trúc linh hoạt ở nhiệt độ-cao đang được tiến hành để giảm hơn nữa chi phí tổng thể của ống composite. Ngoài ra, các miếng vá gốm tổng hợp chức năng kết hợp đặc tính chống mài mòn và chống tĩnh điện đang được phát triển cho đường ống chống cháy nổ-bụi than. Tóm lại, ống composite vá gốm khắc phục được những hạn chế của ống chống mài mòn tích hợp{11}}về mặt xử lý và bảo trì hình dạng, tích hợp độ bền của ống thép với khả năng chống mài mòn vượt trội của gốm alumina, từ đó mang lại giải pháp đường ống chống mài mòn-hiệu quả về mặt chi phí. Mặc dù khoản đầu tư xây dựng ban đầu vượt xa so với ống thép thông thường, nhưng lợi thế về tuổi thọ kéo dài, bảo trì thuận tiện, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường khiến nó trở thành ứng dụng không thể thay thế trong đường ống vận chuyển vật liệu rời. Trong tương lai, nó dự kiến sẽ trở thành công nghệ lót tiêu chuẩn cho các quá trình chuyển đổi đường ống{16}chống mài mòn trong nhiệt điện, khai thác mỏ, luyện kim và các ngành công nghiệp nặng khác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiện thực hóa các hoạt động an toàn, xanh và ít carbon trong các ngành công nghiệp nặng truyền thống.