CN103453235A - 煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管的成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，包括钢内衬管的制作、在钢内衬管两端连接法兰、以及在钢内衬管的外表面依次加工增强层和表面导电层，所述成型工艺具体包括下述步骤：步骤a、预处理工序；步骤b、在连接法兰的钢内衬管外壁缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维；步骤c、当无机纤维布或纱的缠绕层数达到设计要求时、借助缠绕工艺在初凝的无机凝胶复合材料表面缠绕钢丝骨架，形成增强层；步骤d、在增强层的外表面缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂添加有抗静电剂和阻燃剂的无机凝胶复合材料，硬化后形成表面导电层。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下用输送管道，具体涉及一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺。
背景技术
煤矿、石油和天然气开采及输送等很多领域均需要大型管路输送气体、液体或流化固体等易燃、易爆的介质，因此对输送管道有较高要求，不仅要求管道具有常规的力学性能（如抗弯、抗拉、抗冲击），而且要求其具有优异的阻燃、抗静电等性能。
若使用铸铁管或大口径钢管，其重量大、锈蚀快，使用成本高，因此很多研究在钢管的内表面和外表面分别增加了耐腐蚀的结构层。如在钢制管体内表面粘附一层内防腐层、管体外表面设置一层玻璃钢外防腐层，该方法虽然解决了钢管锈蚀快的技术缺陷，但是由于仅由玻璃纤维作骨架的玻璃钢层的强度相对较低，当管道受到内压力较大时、其对管道的增强作用小，分担管壁的受力比例少，不能有效减小钢制管壁的厚度和钢材耗用量。
申请号为200720078768.6的中国专利公开了一种纤维增强塑料钢质复合管道，其在钢管外表面依次覆盖有环氧防腐涂料层、纤维增强塑料结构层、粘结剂层以及塑料外保护层，虽然纤维增强塑料结构层和塑料外保护层的使用可以增大管道承受内压力的能力、减少钢材消耗量；所述纤维增强塑料结构层为经纬编织纤维布和单向纤维布的混合使用与树脂结合使纤维增强塑料钢质复合管道具有基本一致的各向强度和各向弹性模量。但是该复合管道不适于应用在易燃易爆的场合，首先塑料结构层在阻燃方面存在着安全隐患，另一方面纤维增强塑料的承载力不高。申请号为201120387804.3的中国专利公开了一种空心纤维-钢复合管混凝土组合结构，其，由纤维-钢复合管、混凝土或钢筋混凝土和内钢管由外向内共同构成，混凝土或钢筋混凝土填充于纤维-钢复合管与内钢管之间，该直接浇注的混凝土抗拉强度低、抗裂性能差、抵抗形变性能差，材料的脆性明显，其抗拉强度仅是抗压强度的1/7~1/10，即使在较低的拉伸变形时极易发生开裂，因此，导致钢复合管、内钢管与混凝土之间的结合力较小，三层之易发生剥离，丧失了复合管材的抗拉、抗爆裂性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，该无机凝胶复合管采用钢内衬、在钢内衬管的外壁上用钢丝、纤维增强的无机凝胶层作增强层，该增强层采用缠绕和涂覆工艺制作而成，克服了混凝土抗拉伸强度低、抗裂性能差和抵抗变形性能差的缺陷，具有阻裂、增强和增韧的作用，与钢内衬管形成有机整体，适用于易燃易爆的场合。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，包括钢内衬管的制作、在钢内衬管两端连接法兰、以及在钢内衬管的外表面依次加工增强层和表面导电层，所述成型工艺具体包括下述步骤：
步骤a、预处理工序：在钢内衬管的两端定位连接法兰、浸润无机纤维布或纱、处理钢丝表面；
步骤b、在连接法兰的钢内衬管外壁缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维；
步骤c、当无机纤维布或纱的缠绕层数达到设计要求时、借助缠绕工艺在初凝的无机凝胶复合材料表面缠绕钢丝骨架，形成增强层；
步骤d、在增强层的外表面缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂添加有抗静电剂和阻燃剂的无机凝胶复合材料，硬化后形成表面导电层。
上述技术方案中，在连接有法兰的钢内衬管上借助缠绕和涂覆工艺制作纤维增强的无机凝胶复合材料的增强层和表面导电层，纤维增强的无机凝胶材料硬化后与钢内衬管形成有机整体，共同承担内压力的增大。无机纤维布首先需要浸润界面剂，所述界面剂为无机凝胶材料形成浆料，而该浆料很难充分浸润到无机纤维布内，上述技术方案通过真空或者负压达到了充分浸润的目的，使无机纤维布在缠绕过程与无机凝胶材料之间充分融合、形成有机整体；尤其是在喷涂无机凝胶复合材料的同时还喷涂有增强短切纤维，所述短切纤维、无机凝胶复合材料以及无机纤维布之间相互融合、交织，形成了一层一层的网状，不仅可以阻碍无机凝胶复合材料在初凝过程中微裂缝的产生与扩展，而且在无机凝胶复合材料硬化后，其仍约束着无机凝胶材料、从而阻止因周围环境温度与湿度变化而引起的无机凝胶复合材料产生裂缝；而且即使无机凝胶复合材料发生开裂，无机纤维布和短切纤维还可横跨裂缝承受拉应力使增强层具有良好的韧性。钢丝骨架的设置对纤维增强的无机凝胶复合材料形成了包络和增强，并且具有与纤维增强层相匹配的抗拉、抗爆裂的性能。从而使钢内衬管、纤维增强的无机凝胶复合材料以及钢丝骨架形成了共同抗拉、抗裂、抗形变的有机整体，三者具有相匹配的韧性，不会发生剥离的现象。
采用上述技术方案产生的有益效果在于：（1）本发明采用钢内衬管、纤维增强的无机凝胶复合材料和钢丝骨架形成了有机结合的复合管，在使用过程中具有优异的抗拉强度、抗暴裂性能和抗形变性能，远远大于钢管、无机凝胶管单独作用之和；（2）本发明在满足力学要求的情况下，采用的钢内衬管的厚度较小，自重较轻、便于运输以及煤矿井下等场合的安装；（3）在进一步改进的方案中，所述钢内衬管采用锁边工艺或螺旋焊接工艺制作而成，外壁上的螺旋筋增加了钢内衬管的强度，而且通过在法兰盘内壁设置与所述螺旋筋匹配的凹槽、形成限位结构，可以牢固地将法兰固定在钢内衬管的两端，提高了安全系数，尤其是法兰颈部的外壁上设有止退沟槽，当无机纤维布缠绕在该止退沟槽内时，可以起到束缚法兰脱离钢内衬管的作用。
附图说明
图1是本发明的半剖结构示意图；
图2是本发明法兰的半剖结构示意图；
其中，1、法兰，1-1、止退沟槽，1-2、凹槽，2、钢内衬管，2-2、螺旋筋，3、增强层，4、表面导电层，5、钢丝骨架。
具体实施方式
本实施例提供一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，包括钢内衬管2的制作、在钢内衬管2两端连接法兰1、以及在钢内衬管2的外表面依次加工增强层3和表面导电层4，其特征在于所述成型工艺具体包括下述步骤：
步骤a、预处理工序：在钢内衬管2的两端定位连接法兰1、浸润无机纤维布或纱、处理钢丝表面。
该步骤中，在钢内衬管2的两端定位连接法兰1的工序为：首先，借助锁边工艺或螺旋焊接工艺形成的外壁带有螺旋筋2-1的钢内衬管2；然后制作盘片加短管结构的法兰，在短管内壁加工与螺旋筋2-1的凹槽1-2、外壁加工止退沟槽1-1；再在短管内壁和钢内衬管2外壁两端涂胶、将法兰1旋进钢内衬管2的内壁、拧紧。这样当在法兰1的外壁上缠绕无机纤维布后，形成整体结构的无机纤维布可以阻止法兰1向外脱出，从而起到法兰1固定的作用。
浸润无机纤维布或纱的工艺为：在真空或负压下浸润无机凝胶浆料，所述无机凝胶浆料为硫铝酸盐水泥溶液。硫铝酸盐水泥为高细复合硫铝酸盐水泥、高细复合快硬硫铝酸盐水泥、高细复合双快硫铝酸盐水泥、超高强水泥、低碱度硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥，上述水泥均可从市场上买到。
钢丝表面处理的工艺为：借助轧花拔丝机在其表面形成糙化凸纹、并蘸粘接胶，所述粘接胶为水性环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液或丁苯乳液。
步骤b、在连接法兰1的钢内衬管2外壁缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维；
步骤c、当无机纤维布或纱的缠绕层数达到设计要求时、借助缠绕工艺在初凝的无机凝胶复合材料表面缠绕钢丝骨架5，形成增强层3。
所述无机纤维布为耐碱玻璃纤维布或玄武岩纤维布或纱，由于玄武岩纤维布等很难在无机凝胶材料的浆料中得到充分浸润，因此本发明采用在真空或负压条件下进行浸润。这样浸润界面剂的无机纤维布能够充分地与无机凝胶复合材料进行结合、有利于形成整体而非相互脱离的多层结构。无机纤维布缠绕张力不小于10 kgf/cm2，本实施例中所述无机纤维布缠绕张力不小于10 kgf/cm2，这样无机纤维布在缠绕过程中即加了一定的预应力，这是本发明成败的一个关键所在。
所述无机凝胶复合材料包括：硫铝酸盐水泥100重量份、有机改性剂15~30重量份；所述有机改性剂为聚丙烯酸酯乳液、水性环氧树脂或丁苯乳液，所述无机凝胶复合材料还可以包括无机填料，所述无机填料为石墨晶须、碳黑、长度为1-5mm的短切碳纤维或短切玄武岩纤维。
在钢内衬管2的外表面缠绕无机纤维布之前，首先在钢内衬管2的外表面涂刷粘接胶，然后均匀洒一层干燥的石英砂，等待粘接胶凝后再进行下一工序——缠绕浸润界面剂的无机纤维布；所述粘接胶为水性环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液或丁苯乳液的一种或多种。所述石英砂表面干燥、粒度为170目~300目。涂刷粘结剂和石英砂，一方面起到防滑的作用，防止无机纤维布在钢内衬管上打滑、松弛，另一方面可以促进钢内衬管与无机纤维布的粘接。
步骤b中，在加工增强层3之前，钢内衬管2内壁进行耐腐蚀和耐磨处理，其步骤为：
b1、在钢内衬管2的内壁镀锌；
b2、在镀锌层的表面涂刷阻燃、抗静电涂料。
所述阻燃、抗静电涂料包括下述重量配比的组分：双酚A环氧树脂100份、导电云母粉15~20份、EA520/562导电剂0.5~2份，流平剂0.5~2份，增硬耐磨剂0.5~2份，593固化剂25~35份，附着力促进剂0.5~3份。
所述阻燃、抗静电涂料的具体配方参见表1均为重量份数。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 双酚A环氧树脂 | 100份 | 100份 | 100份 |
| 导电云母粉 | 17 | 15 | 20 |
| EA520/562导电剂 | 1 | 2 | 0.5 |
| 流平剂 | 1 | 2 | 0.5 |
| 增硬耐磨剂 | 1 | 0.5 | 2 |
| 593固化剂 | 30 | 25 | 35 |
| 附着力促进剂 | 1.5 | 0.3 | 3 |
所述钢丝骨架为左旋或右旋的钢丝，或左旋与右旋同时设置并交叉均布在增强层3中形成的钢丝网；所述钢丝的缠绕张力为5~20 kgf/cm2，本实施例中缠绕张力不小于10 kgf/cm2。本实施例中所述钢丝通过轧花拔丝机在其表面形成糙化凸纹，所述凸纹能够增加钢丝与管基体之间的摩擦力和握紧力，而且相交叉的钢丝之间形成阻力节结，加大了钢丝的抗拉强度。
在增强层3的外表面缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂添加有抗静电剂和阻燃剂的无机凝胶复合材料，硬化后形成表面导电层4。
表面层用无机凝胶复合材料与增强层用无机凝胶复合材料相比，还增加了抗静电剂和阻燃剂，其目的是增加表面层的导电性和阻燃性，适用于易燃易爆的场合，抗静电剂和阻燃剂为无机凝胶材料常用的制剂，是可以从市场买到的常规试剂。另外该步骤还具有整形、形成平整表面的目的。
钢内衬管2的制作工艺为：将薄壁钢板或镀锌铸铁板借助锁边工艺或螺旋焊接工艺形成的外壁带有螺旋筋的钢内衬管，所述钢内衬管的管壁厚度为0.4-3 mm，配套外径为48-1000 mm。法兰盘与颈部之间圆弧过渡。这样可以消除应力集中，防止复合管从法兰盘与颈部连接处撕裂。
在其它实施例中，所述钢丝骨架还可以设置在增强层的内部，即当增强层2的厚度达到设计厚度的1/3~3/4时、借助缠绕工艺在初凝的无机凝胶复合材料表面缠绕钢丝骨架5，然后继续缠绕预处理的无机纤维布、且边缠绕边喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维，形成钢丝、纤维增强的增强层。所述增强短切纤维为碳纤维或玄武岩纤维，该短切纤维与无机凝胶复合材料、无机纤维布或纱以及钢丝骨架和钢内衬管之间形成了一个有机整体，其中增强层、表面导电层以及钢内衬管之间的抵抗形变能力相似，增强层和表面层不会出现开裂，且整体结构综合了钢管、无机凝胶管的优势，其抗拉、抗压、抗爆裂能力强；本发明的法兰采用与钢内衬管螺旋筋配合的凹槽，形成了限位结构、可防止法兰从复合管内脱出；在短管的外壁上设置止退沟槽，缠绕在该沟槽内的无机纤维布在无机凝胶硬化后起到止退的作用，牢固地将法兰定位在钢内衬管上；所述法兰盘片与短管之间圆弧过渡，可以消除应力集中，防止法兰盘片从短管处撕裂，进一步提高了复合管的安全系数。
本发明是以无机凝胶材料为基材，以无机纤维、钢丝、薄壁钢管为增强材料制造的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管，可用于煤矿井下正压通风、注浆、供排水等用途。将本发明制备的钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管进行抗拉、抗爆裂试验，结果表明：其与抗拉强度、抗爆裂强度较同种规格的纤维增强钢塑复合管高1~2个数量级，其抗形变能力较同重量的钢管高2~3个数量级。
Claims (10)
1.一种煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，包括钢内衬管（2）的制作、在钢内衬管（2）两端连接法兰（1）、以及在钢内衬管（2）的外表面依次加工增强层（3）和表面导电层（4），其特征在于所述成型工艺具体包括下述步骤：
步骤a、预处理工序：在钢内衬管（2）的两端定位连接法兰（1）、浸润无机纤维布或纱、处理钢丝表面；
步骤b、在连接法兰（1）的钢内衬管（2）外壁缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维；
步骤c、当无机纤维布或纱的缠绕层数达到设计要求时、借助缠绕工艺在初凝的无机凝胶复合材料表面缠绕钢丝骨架（5），形成增强层（3）；
步骤d、在增强层（3）的外表面缠绕预处理的无机纤维布或纱、且边缠绕边喷涂添加有抗静电剂和阻燃剂的无机凝胶复合材料，硬化后形成表面导电层（4）。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤c中，缠绕钢丝骨架（5）后，再继续缠绕无机纤维布或纱、同时喷涂无机凝胶复合材料和增强短切纤维，形成增强层。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤a中，在钢内衬管（2）的两端定位连接法兰（1）的工序为：首先，借助锁边工艺或螺旋焊接工艺形成的外壁带有螺旋筋（2-1）的钢内衬管（2）；然后制作盘片加短管结构的法兰，在短管内壁加工与螺旋筋（2-1）的凹槽（1-2）、外壁加工止退沟槽（1-1）；再在短管内壁和钢内衬管（2）外壁两端涂胶、将法兰（1）旋进钢内衬管（2）的内壁、拧紧。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤a中，浸润无机纤维布或纱的工艺为：在真空或负压下浸润无机凝胶浆料，所述无机凝胶浆料为硫铝酸盐水泥溶液。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤a中，钢丝表面处理的工艺为：借助轧花拔丝机在其表面形成糙化凸纹、并蘸粘接胶，所述粘接胶为水性环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液或丁苯乳液。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤b中，在钢内衬管（2）的外表面缠绕无机纤维布或纱之前，首先在钢内衬管（2）的外表面涂刷粘接胶，然后均匀洒一层干燥的石英砂；所述粘接胶为水性环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液或丁苯乳液。
7.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤b中，在加工增强层（3）之前，钢内衬管（2）内壁进行耐腐蚀和耐磨处理，其步骤为：
b1、在钢内衬管（2）的内壁镀锌；
b2、在镀锌层的表面涂刷阻燃、抗静电涂料。
8.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于所述无机凝胶复合材料包括：硫铝酸盐水泥100重量份、有机改性剂15~30重量份；所述有机改性剂为聚丙烯酸酯乳液、水性环氧树脂或丁苯乳液；所述增强短切纤维为1-5mm的碳纤维或玄武岩纤维。
9.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于步骤b中所述钢丝骨架为左旋或右旋的钢丝，或左旋与右旋同时设置并交叉均布在增强层（3）中形成的钢丝网。
10.根据权利要求1所述的煤矿井下用钢内衬钢丝纤维增强无机凝胶复合管成型工艺，其特征在于所述无机纤维布或纱和钢丝的缠绕张力为5~20 kgf/cm2。
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