混凝土泵送管道的低碳技术与工程研究_黄启有.pdf

：混凝土泵送管道的低碳技术与工程研究黄启有，周朝辉，黄晓研，田桂萍，李盼，周洲（长沙天赋机械设备有限公司，长沙 ；建筑材料工业技术情报研究所，北京 ）摘要：针对市场上混凝土泵车的单层弯管不耐磨、双层弯管价格贵的问题，在耐磨管道方面进行颠覆性的低碳技术创新，设计出独特的新型组合结构耐磨管件，破解了轴承钢材料成型焊接等关键结构工艺难题。基于轻装、耐磨、低耗、廉价、高效的管道，首次提出我国混凝土管业资源节约型降耗的方案，主张管道的低碳技术与工程研究。关键词：资源节约；泵送耐磨管道；低碳技术；降耗减排案例；工程研究 ，（，；，）：，：；收稿日期：作者简介：黄启有（），教授级高工 ：管道制造业作为支撑油气输送、工程机械、矿产资源开发等领域的基础性行业，其中混凝土泵送管道受泵车臂架载荷的限制，必须平衡耐磨材料来源、工艺可行性以及经济性。如何巧妙兼顾，局部加强以及采用耐磨性能不同的材料组合的关键结构工艺技术，将管道使用寿命、轻量化指标、性价比提升到国际领先水平，加快混凝土泵送乃至各行管业输送管道低碳技术的高质量发展，已客观地摆在我们面前。通过与主机厂家的技术交流，了解到混凝土泵车的单层弯管不耐磨、易爆裂，双层弯管的成本高、性价比低，其关键结构工艺的核心技术是一个不易破解的难题。为此，历经十余年时间、上百次工艺改良、近千次实验优化、近百万工件检验，首创 焊接技术在 材料焊接上的应用，破解了轴承钢材料成型焊接等难题。基于轻装、耐磨、低耗、廉价、高效的管道，首次提出我国混凝土管业资源节约型降耗可持续实现温室气体减排的方案，主张其管道的低碳技术与工程研究。混凝土泵送管道关键结构工艺的低碳技术研究问题导向一是对泵车弯管的失效形式进行了统计与分析，得出了泵车弯管的主要磨损方式和区域；二是针对磨损建材世界 年第 卷第期区域的失效情况，选取合适的耐磨材料；三是针对耐磨材料进行热处理工艺优化、配方优化，提升材料耐磨性能；四是确定好耐磨材料后，进行结构设计优化，保证管道的正常流道不变，提升局部磨损区域的耐磨性能；五是各部件成型工艺技术研究，解决外观起皱、组焊开裂等问题。技术关键）弯管是关键：一种耐磨抗冲击两分双层弯管，它的主要创新点是将一种特殊的弯管结构应用推广到混凝土泵送行业；耐磨抗冲击两分双层弯管的目的是克服现有技术中弯管存在的低耐磨性及低抗冲击能力的缺点，提供一种两分双层式耐磨、抗冲击弯管。设计出独特的新型组合结构耐磨管件，为混凝土泵送乃至各行管业提供共性技术。）关键轴承钢：砼管重量作为混凝土泵车臂架上的负载部件，直接关系到泵车总体设计、臂架系统的疲劳强度和安全性。轻装耐磨为首选：按“等寿命设计、新配方铸就、热处理优化、冷拉法外管”补齐短板，研发了管道制备焊接、装配、热处理等组合工艺，优化应用钨极气体保护焊（）技术，解决了高碳铬轴承钢的自动焊接技术难题。革新层面按等寿命设计补齐短板）直管：直管由外管、内管和两端加强耐磨套组成。外管两端焊接有连接法兰用于管与管的连接，中间内管采用 耐磨材料，多段组合。直管的两端如果是连接弯管，当混凝土从弯管流入时，由于流向突变，靠近弯管的直管口端（流场分析中速度梯度较高段）会受到更多的磨损，因此在直管两端布置有三个高耐磨高铬铸铁耐磨套加强局部作用，补强过磨损部位。此举达到等寿命的同时没有增加管体重量，达到了轻量化设计的目的。）弯管：弯管结构设计同样运用了易磨损部位补强理念。当混凝土流过弯管时，流向被改变，弯管外侧弓部混凝土流速最快，离心力最大，弓部磨损最严重，因此除了采用高耐磨的高铬铸铁外，弓部也被局部加厚。弯头内侧流速较慢，压力较小，则只需采用普通 耐磨材料，厚度较薄也能满足计算寿命的要求。因此，弯头在耐磨材料有限增加前提下，达到管道等寿命目的，提高了弯头整体使用寿命。通过对弯管外侧弓部加厚量的设定可以调节弯管的使用寿命，避免浪费。也可以采用更耐磨的弓部材料在不增加重量的前提下达到更高使用寿命。按新配方铸就补齐短板）高铬铸铁配方：在国家标准的基础上对高铬铸铁成份进行优化，对、的要求更高，其中、的含量，增补的含量，提高了的含量，使高铬铸铁的耐磨性能以及机械性能发挥到最优。）漏包浇注吹氩：高铬铸铁的浇注过程中，采用漏包浇注以及吹氩来提高其铸件的纯净度，从显微组织来看，铸件纯净度高，杂质少。）硬度明显增强：高铬铸铁硬度范围 ，平均硬度 。按热处理优化补齐短板）内管整体淬火：（）一种耐磨材料的成功运用离不开与之相对应的热处理工艺。与南钢合作，特制了专用高铬耐磨钢钢号：，增加了淬透性元素，使淬火后的金相组织更加均匀细腻。（）直管产品设计采用分段式耐磨内管，是因为耐磨内管必须采用整体淬火才能满足，内管任何局部都需保证金相组织一致性的要求，只有这样才能没有不合格的局部组织，保证等寿命。）内管热处理工艺：（）通过试验得出 材料最佳热处理工艺：随炉加热（）保温时间（）油温淬火（油温 ，在油）低温回火（）。（）按以上热处理工艺，材料硬度达到 为合格，金相组织得到 级以上的极细的碳化物合金组织，马氏体达到，奥氏体。（）材料制成的内管经以上热处理后达到使用寿命的要求。（）通过对热处理工艺优化，选用合适的加热速度、保温时间、冷却时间、回火温度等过程控制参数，高铬铸铁热处理后，金相组织达到最优。（）试样显微组织为马氏体细粒状碳化物回火马氏体少量残余奥氏体共晶碳化物条片状碳化物。）内管耐磨比较：内管选用轴承纲 ，含有 碳、铬，热处理后有均匀建材世界 年第 卷第期分布的碳化物，硬度 ，其耐磨性能高于常见双层直管 的 以上。）外管热处理特性：通过试验得出 材料的外管热处理特性：无缝钢延伸率达到 ，抗拉强度 ，屈服强度 ，且有效消除了外管的残余应力。）内管在线测控：（）激光分组别类检测圆度、涡流，超声波交叉检测裂纹；（）洛氏硬度计全检内管硬度；（）外管内壁均布加强筋，起增强、定位的功能；（）确保装配线上的每一根内管质量合格，且管道组装的同心对接。）内管分组装配：直管耐磨内管分段整体淬火是保证内管热处理后组织一致性的需要，但内管的热处理变形是不可避免的，变形后的内管组合到外管中后会出现对接错位现象，严重的对接错位会减少使用寿命。对接错位对使用寿命的影响是线性的，即错位量等于耐磨层减薄量。装配中采用分组装配方法减少搭接错位带来的寿命折损，分组越密错位越少，综合考虑错误寿命折损和装配效率因素，分组宽度取 比较合理，满足直管设计对寿命折损系数的要求。按冷拉法外管补齐短板）外管冷拉强化：外层管采用 优质结构钢经冷拉强化处理，满足混凝土输送管承受泵送压力和结构支撑强度要求。）外管冷拉参数（）外管工作压力工计算：外层管的结构强度按照 泵车泵送出口工作压力 设计，结构支撑力相对较小，可不参与计算。外管尺寸为 （外径壁厚）；对金属材料的强度进行材料拉伸试验，抗拉强度为 ；取最小值作为计算值，即 冷拔强化后的抗拉强度为 。取安全系数为计算，根据管道压力的计算公式计算出外管工作压力工工（壁厚抗拉强度）内径安全系数.直管在倍安全系数下的工作压力工 泵车工作压力。（）极限破断压力计算（壁厚抗拉强度）内径.极限破断压力大于目前管道技术要求的 。基于上述，成就了轻装、耐磨、低耗、廉价、高效的管道，为混凝土管业资源节约型降耗的预案提出，提供了不可或缺的依据。资源节约型降耗减排温室气体的低碳工程研究降耗思考如果说建筑材料最大的温室气体减排机会来自废弃物和工业副产品的回收利用的话，那么对于混凝土泵送管道而言，就是物尽其用“好钢用在刀刃上”。直管采用了双层管结构形式，功能独立分开，内管装配到外管内部，外管只承受泵送压力和支撑结构力，内管只起抗磨作用。可以灵活选择耐磨层的材质、厚度、流场特性进行布置，最终保证管道每段的耐磨性能一致，减少其局部缺陷。弯管采用多种弓部厚度的耐磨件满足不同位置的不同磨损程度要求。两半结构形式更适合弓部厚度的变化以及不同耐磨材料的组合。由于弯管内侧磨损较轻，两半结构形式也方便内侧耐磨层采用其他常用材料或减薄耐磨层厚度达到轻量化和节约资源的目的。技术路径作者编制了混凝土泵送管道减碳技术路径，见图。建材世界 年第 卷第期数据采集）统计数据：降耗。台套均耗材；至少顶台套台套；减轻 台套；连续年管道在国内外成套销量统计为 台套。）通用数据：（）节能。耗 标准煤钢；耗 工艺电钢；标准煤电；实物煤热值；标准煤热值。（）减排：实物煤；实物煤；实物煤。（）碳汇：截至 年月 日，全国碳市场碳排放配额（）累计成交量超过 亿，成交额 亿元以上，即成交均价 元 。有关计算 管业降耗钢材节能减排碳汇的计算方法：）降耗：依据采集数据）统计数据：降耗。降耗钢材。；减轻自重。；降耗合计。）节能：依据采集数据）通用数据：（）节能。炭耗标煤。；电耗标煤。；标煤合计。；实物煤耗。）减排：依据采集数据）通用数据：（）减排。二氧化碳。；二氧化硫。；氮氧化物。）碳汇：（）依据采集数据）通用数据（）碳汇。元人民币。案例实效）经济效益：年，企业自有品牌销售收入 万元，其中主导产品出口额 万元，在国内外细分市场占有率分别达 、；研发费用总额 万元，占营业收入总额比重；实现利税 万元，其中上缴税金 万元。）社会效益：年，企业就业员工 人，其中安置大中专毕业生 人。经数据采集和有关计算，企业连续年管道成套销量为 套，可比降耗钢材 ，相应减少炼钢电力和焦炭即综合降耗标煤 ，按 换算实物煤 ，减排二氧化碳 ；减排二氧化硫 ；减排氮氧化物 ；则碳汇收益为 万元。据不完全统计，推广发展该管道每年可节省钢材 万以上，相应减少炼钢电力和焦炭即综合降耗标煤 ，按 换算实物煤为 ，减排二氧化碳 ，即碳汇 万元；相应减排二氧化硫 ；减排氮氧化物 。建材世界 年第 卷第期随着企所（校）强强联合、资源共享，协同众多行业输送管道的双碳对接及其关键基础材料应用研究，国内外市场的潜力会更大，前景更广阔。对接举措围绕混凝土管业资源节约型降耗可持续实现温室气体减排方案，必须从市场、标准、技术、碳价、政策、法规等各个层面多管齐下：）实施最低准入：碳信用额是促使工厂实现较高性能的激励工具；新的淘汰落后生产的方法可根据工厂的原辅材料消耗来逐渐进行；政府还可通过减少先进技术的进口税或对低效混凝土管业设备引进惩罚税来促进管业厂效能的提高。）引领低碳发展：整合国内外技术人力资源，为混凝土管业提供最低气候影响的解决方案；逐步减少不可持续管业生产的份额，使企业变为生产高附加值、高质量管业的责任公司；加速业界普遍看好的天赋品牌的市场渗透到一定的临界规模，给予碳信用额奖励等。）更新管业标准：为了扩大高科技低碳管业的国内外市场份额，混凝土管业标准必须升级，或更先进的轻装耐磨材料需要制定产品标准，从而根据性能而不是化学成份来评判产品；公司、协会、政府及国内外标准化机构应参与其中。）建立碳价机制：根据混凝土管业轻装耐磨降耗所产生节能减排碳汇，不仅能激励大多数效率高的管业充分发挥自身的产能，同时还能限制大多数低效工厂的运行，促进内业创新驱动，公平竞争；技术进步，低碳发展。）筑牢专利护网：以该公司取得国家、日美欧发明专利权授原创的技术和完善的专利保护机制为契机，助推混凝土管道技术的低碳排与高质量发展。）研发先进技术：如本所建材低碳技术促进中心和绿色建材与低碳经济研究室课题：玄武岩纤维及其复合材料在混凝土泵送管道的应用研究；特种耐磨涂装剂在天赋管道内外耐磨涂装中的高效利用；拓展天赋管道关键结构工艺技术的适应范围和海外市场等。）加强能力建设：能力建设需要全员碳培，工匠普及；技艺传授，知产保护；创新性复合材料的引入，尤其需要能力建设，以便在多个层面上克服障碍；为了实现大范围减排，能力建设活动还应解决国家或更大层面上的法律框架问题。参考文献黄晓研，黄启有对湖南益阳构建资源节约型建材产业的思考中国建材报，：黄晓研，黄从运，黄启有国内被动房与节能窗产业化的前景浅析建材世界，（）：黄晓研加快煤矸石建筑材料发展的产业化研究墙材革新与建筑节能，（）：建材世界 年第 卷第期