非金属管论文

非金属管论文（精选7篇）

非金属管论文 篇1

油田能源作为现阶段我国经济发展中的重要支柱性能源类型,长期以来我党和各界人民政府对其进行了大量的人力、物力、财力方面的支持和帮助,取得了非常显著的成果。对于油田集输管网的建设来说,现阶段随着科学技术的不断发展,由非金属管和复合材料共同组成的管网逐渐成为大势所趋,其在应用上具备非常大的优势。除此之外,由于其种类繁多、可选择性较大,因此,具备很大的经济适用性,其一经推出就受到了广泛的认可,并大力进行推广,但是由于其材质的特殊性,导致其在正常的使用中还存在一些问题,亟待相关部门进行解决。

1 现阶段我国油田集输管网用非金属管存在的问题分析

(1)玻璃钢管在油田应用中存在的问题分析。作为现阶段我国油田集输管网用非金属管仲较为常见的类型,玻璃钢管的应用范围非常之广,但是由于其是利用玻璃纤维通过一系列的浸胶槽浸渍熔融演变成树脂之后才在芯模上进行缠绕的,在这一过程中由于程序相对复杂且生产工艺也相对繁杂,非常容易造成其在实际操作中缠绕不均等现象的出现,最终导致整个玻璃钢管的外围出现斑点和缺陷,严重影响整个管网的质量。由于各个玻璃钢管网在其连接的过程中都是通过螺纹进行的,由于螺纹价格相对较高,在这一过程中经常有油田部门为了节省经济支出,以次充好,在其日后的运行过程中会出现泄露等现象,最终影响整个油田集输管网的质量。

除此之外,现阶段我国油田集输管网应用玻璃钢管在运输装卸和施工中也存在着很大的困难。首先,对于玻璃钢管的运输来说,由于玻璃钢管材质的特殊性,导致其在运输中经常容易出现破碎等状况,特别是对于运输过程中的叉车来说,一旦其碰到钢管,那么玻璃钢管本身容易损坏;其次,对于玻璃钢管的施工来说,其在整体上接头性能相对较差且材质较脆,因此,如果在施工过程中出现需要弯曲,一般其半径大小不足,那么非常容易出现破损情况,严重影响施工质量,同时也会造成一定的资金浪费;第三,玻璃钢管的连接问题也是现阶段在我国油田集输管网运行过程中较为重要的问题,由于玻璃钢管在其连接过程中需要与其他金属钢管进行连接,但是由于其强度和硬度以及弹性模量都远远低于金属钢管,因此在其连接过程中经常会出现破裂的情况,特别是在长期使用之后,还会出现一定的泄露,严重影响整个油田管网的顺利运行。

(2)塑料合金复合管在油田应用中存在的问题分析。现阶段随着科学技术的不断进步,我国很多油田在其集输管网实际的运行过程中开始采用现代化的塑料合金复合管进行作业,这种材质的管网耐高温性和抗腐蚀性都相对较好,但是由于其研发和使用的时间相对较短,因此也存在很多问题。

首先,由于塑料合金复合管在其制作过程中是利用热塑性塑料作为管壁的内衬,因此在使用过程中随着时间的不断增加,会造成一部分管网逐渐失去功能,相应的粘结接头也会逐渐失效,最终导致石油管网的泄露等情况的出现。

除此之外,由于塑料合金复合管材质的特殊性,其在正常使用过程中还非常容易出现介质相容的问题,由于塑料官网本身存在很强的塑料复合金物质(即PVC结构),但是其管道中的石油物质中含有与其相容的成分,非常容易导致整个石油在运输过程中出现严重的质量问题,不仅造成了非常严重的经济损失,同时也会给其他使用单位造成非常严重的安全隐患。

(3)钢骨架复合管在油田应用中存在的问题分析。作为现阶段我国油田管网中较为常见的非金属管类型,钢骨架复合管在其使用过程中相对于以上两种材质的管网来说质量相对较好,出现的问题也相对较少,但是由于其本身材质具有一定的特殊性,且其一般都在地下管道项目扩建中进行应用,因此比较容易受到周围自然环境和湿度、温度现象的影响,非常容易出现管道开裂和爆裂跑水等现象,如果不能对其进行及时处理,将会对整个管道工程产生非常严重的影响。除此之外,由于钢骨架复合管材质本身的刚度相对较低,且柔软性相对较强,因此在架空安装过程中也非常容易出现问题,不利于长期对其进行使用。

2 针对现阶段现阶段我国油田集输管网用非金属管存问题的相关建议

(1)建立健全市场准入制度。为了进一步促进现阶段我国油田集输管网用非金属管的应用,相关部门应该不断对其市场准入制度进行建立和健全工作,尤其应该对各种品种的非金属管的质量进行严格的审查,对于不符合质量标准的生产企业进行严厉的查处,对于经销不合格产品的商户进行罚款和停业整顿等处理措施。除此之外,为了进一步规范非金属管市场,相关部门还应该建立科学的认证体系,推动其市场经济的规范、合理化发展。

(2)建立完整的质量检测体系。本文通过一系列的走访调查和相关数据资料的查阅发现,现阶段在我国很多制造商对其所生产的产品进行质量检验的时候,为了节省时间和资金,只是对其中一小部分内容进行检验,甚至还有的单位会采用抽样检验的形式,并不是对全部商品进行检验工作,这是严重不符合质量检验标准的,这种情况亟待改善。相关部门应该建立完整的质量检测体系,对企业进行严格的监督,确保每一项检测都符合相关质量认证标准之后才允许其流入市场,增强其安全性和使用的持久性。

(3)确保质检产品与现场产品的一致性。这主要是针对企业在进行送检产品和供货产品的一致性方面进行的抽样检查工作,相关单位应该聘请第三方单位对其产品进行抽样检测,查看其是否具有一致性,将检查报告完整的传送给油田用户。除此之外,为了进一步保证质检产品与事项产品的一致性,相关部门在进行抽样检查之后,油田用户在使用过程中还应该定期对其进行生产单位进行监督检查,以便于更好的督促生产单位保质保量的完成工作。

(4)不断对非金属管的选材规范进行完善。不断对非金属管的选材规范进行完善也是现阶段相关部门的主要工作任务,随着现阶段石油管道材料市场的日渐繁荣,油田部门的可选择性也随之增大,因此制定好选材规范也就变得尤为重要起来,但是这并不意味着所有的管道材料在其选择过程中是一成不变的,还是需要根据具体的情况去进行调整和不断地变化,在整体上还是需要以保证油田集输管网质量为前提。

3 结语

本文通过对现阶段我国油田集输管网用非金属管存在的问题分析,根据实际情况提出了若干改进的建议,希望对其未来的发展起到一定的促进作用,进一步推动我国石油产业快速、健康发展。

摘要：随着我国经济的快速发展,我国的综合国力和国际竞争力得到了显著的增强,逐渐跻身到世界大国和世界强国的行列中去,人们的物质文化生活水平得到了显著的提升,社会生活的方方面面也取得了非常显著的进步和发展,特别是最近几年,随着我国对外开放力度的不断增强,我国在科学技术方面不断汲取国外的现金成果,得到了非常显著的提高。本文将主要针对当下在我国经济发展中非常重要的油田行业中技术管网用非金属管存在的问题进行分析,并提出相应观点,仅供大家参考。

关键词：油田环境,集输管网,非金属管,存在问题,建议

参考文献

[1]李厚补,戚东涛,魏斌,蔡雪华,齐国权.集油用塑料合金复合管接头脱落失效分析[A].中国机械工程学会失效分析分会、中国机械工程学会理化检验分会.2015年全国失效分析学术会议论文集[C].中国机械工程学会失效分析分会、中国机械工程学会理化检验分会,2015(04).

[2]李厚补,李鹤林,戚东涛,丁楠,蔡雪华,魏斌,齐国权.油田集输管网用非金属管存在问题分析及建议[J].石油仪器,2014(28).

[3]齐国权,戚东涛,魏斌,李厚补,丁楠,蔡雪华,张冬娜,非金属管在酸性环境应用存在的问题[J].油气储运,2015(34).

非金属管论文 篇2

吐哈油田埋地钢质管道外防腐层在20世纪90年代开发初期, 主要采用环氧煤沥青、包覆聚乙烯 (黄夹克) 并辅以阴极保护, 90年代后期建设的管道主要采用聚乙烯绝缘防腐胶粘带, 2005年以后建设的油、气、水埋地钢质管道以三层PE防腐层为主。2000年后在注水、含油污水、原油集输、城镇燃气等管道建设中逐步推广应用玻璃钢管、钢骨架塑料复合管、超高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其它PVC塑料管等新型管材, 取得了较好的效果。

1 吐哈油田钢质埋地管道外防腐现状

哈油田地处冬季干冷、夏季酷热、年降水量少、蒸发量、温差变化剧烈, 盐渍土分部广泛的戈壁荒漠地带, 其特殊的气象、地质条件决定了该地区土壤腐蚀性处于弱/强交替变化之中。油田目前管道外防腐主要采用石油沥青、环氧煤沥青加强防腐、包覆聚乙烯 (黄夹克) 防腐、聚乙烯胶粘带防腐 (二层PE) 、环氧粉末聚乙烯复合结构 (三层PE) 、外加阴极保护等防腐技术。

目前, 三层PE防腐技术发展很快并得以广泛应用, 各油田相继研究开发了较为先进的工艺方法和预制工艺装置, 并形成了较完整的技术标准, 大大提高了产品的技术含量, 从而提高了管道防腐技术水平, 降低了生产成本。2005年后, 三层PE防腐技术在吐哈油田也逐步推广并得到了广泛应用, 目前新建管线DN65以上埋地钢质管道基本上均采用三层PE) 普通或加强级防腐, 局部或用量较小时采用聚乙烯胶粘带加强级防腐, 其阴极保护基本上处于停用状态。从目前各用户反馈效果来看, 防腐性能优良, 效果好。

2 非金属管道主要性能特点及在吐哈油田的应用

吐哈油田自上世纪90年代初开发以来, 已经历近十五年开发生产, 随着各油、气田的不断开发, 各油田已进入了中高含水期开发阶段, 原油含水逐年上升, 污水处理量逐年增加, 集输管网的防腐, 防垢问题日益严重。同时, 早期建设的集输管道接近使用寿命上限, 老化、腐蚀逐年加重, 腐蚀泄露现象时有发生, 钢管防腐问题日益突出。目前吐哈油田在用各类管道主要以钢管为主, 非金属管道用量较少, 尚处在试验推广应用阶段, 吐哈油田已应用的非金属管道主要有以下四类。

2.1 玻璃钢管

吐哈油田自1999年开始应用低压玻璃钢管, 2004年开始应用高压玻璃钢管, 目前在用低压玻璃钢管总长度约10km, 规格DN100~DN300, 设计压力1.6MPa, 接口采用胶粘接;在用高压玻璃钢管总长度约30km, 规格DN40~DN200, 设计压力3.5~25MPa, 接口采用丝扣+胶粘接, 执行行业标准SY/T6267-2006, 具体见表1。

由此可见, 吐哈油田玻璃钢管主要应用于注水管道中, 特别是高压管道, 目前在用的非金属管均以高压玻璃钢管为主。

2.2 钢骨架塑料复合管

钢骨架塑料复合管自2005年开始在吐哈油田应用, 目前在用管线总长度36km, 规格DN50~DN200, 设计压力1.6~4.0MPa, 具体见表2。截至目前, 投产管道运行情况全部良好。

2.3 超高分子量聚乙烯塑料复合管

超高分子量钢骨架塑料复合管自2008年在吐哈油田开始应用, 目前在用管线总长度19km, 规格DN80~DN200, 设计压力3.0MPa, 具体见表3。

2.4 其他各类非金属管应用

吐哈油田其他常用的非金属管还有:主要用于给水及热水系统的PP-R管;用于工业及民用建筑排水的PVC-U双壁波纹管;用于加药系统的铝塑复合管等等。

从以上可以看出, 非金属管道主要在吐哈油田油气集输、注水、污水处理、城镇燃气以及给排水管线上得以应用, 效果良好, 具有广阔的推广前景。

3 应用建议及前景评价

3.1 扩大非金属管材的应用范围

随着油田开发时间的延长, 旧系统管网由于腐蚀带来的影响越来越明显, 增加了对防腐管材的需求, 建议加大非金属管材的应用范围和力度, 使非金属管材的应用范围更趋于多元化。

3.2 制定规范化的产品质量验收标准以及设计标准、施工、验收标准, 进一步提高现场检验手段

目前绝大多数非金属管道制造和检验标准不完善, 供应商对管材的规格尺寸、承压等级、安装方式等无统一检测标准, 基本执行的是行标和企标, 而且各标准之间差异较大、给设计、施工、检验和验收带来了诸多不便, 建议制定规范化的产品质量验收标准以及设计标准, 严格规范产品到场第三方检验程序, 使设计有有法可依, 用户产品质量可控, 确保工程施工质量和运行安全。

3.3 增加非金属管道压力等级及尺寸规格

吐哈油田注水系统压力一般在25MPa-35MPa, 在用非金属管材除部分DN65以下规格的管道设计额定压力能达到25MPa外, 其余DN100以上规格的管道设计压力均较低, 无法满足生产需要, 建议进一步加大此类管道的技术研发和改进。

3.4 严格施工过程管理、建立专业化的管护队伍

建议管材厂家提供管材的同时, 提供安装、试压、检验和验收等施工技术标准、维护保养技术服务, 加强技术培训, 建立完善的施工管理制度, 以提高管线安装使用效率, 减少因后期维护时间长对生产造成的影响。

参考文献

[1]韩方勇.油气田常用非金属管道标准体系研究[J].石油规划设计, 2009 (3) .

[2]李忠.非金属管道在塔里木油田集油系统的应用[J].油气储运, 2003 (1) .

[3]徐文杰.非金属管道在油田中的应用评价[J].油气田地面工程, 2002 (3) .

非金属管论文 篇3

1 Fe2O3纳米管的合成及形成机理

1.1 模板法

在众多纳米管的合成方法中,模板法因具有限域性好、尺寸易控等优点而成为一种非常简便的制备各种金属、氧化物、半导体、聚合物及有机物纳米管的重要方法[1,3]。其中最常用的模板当属多孔氧化铝膜,其纳米孔道的取向性好、阵列性强、长径比大、孔密度高、孔径范围广、长度易控,是目前合成纳米管最常见的基底[4]。

1.1.1 湿模板法

湿模板法一般过程是用金属盐溶液润湿模板,使之进入模板孔洞,再经干燥、高温热解,进而获得金属氧化物的纳米管的方法。该法具有简单、方便且产率高等优点,已成为合成磁性铁氧体纳米管的常见途径[5]。Chen等[6]将硝酸铁溶液注入氧化铝模板的孔洞中,并在70 ℃真空干燥2 h,然后在400 ℃退火5 h,冷却后用NaOH溶液除去模板,获得60μm长的α-Fe2O3纳米管,且多次“润湿-干燥”过程可提高模板孔洞的填充率。Kumar等[7]在N2氛围中,利用FeCl3的水解使β-Fe2O3纳米粒子溶胶生长在Ag纳米粒子上,进而获得水溶性Ag@ Fe2O3核壳中空管状结构。他们发现,Ag+浓度会影响β-Fe2O3的激发带位置、微结构及磁行为,当Ag+浓度为0.58×10-4 mol/L时会形成核壳中空管,其中核为直径3.5 nm的Ag纳米粒子,壳为含有Cl-和NO3-的β-Fe2O3中空纳米管,该核壳纳米管在7 T、100 K时就表现出超顺磁现象,磁化率约为β-Fe2O3纳米管的18%。

1.1.2 模板辅助气相热解法

模板辅助气相热解法是指让前驱体蒸气流经模板孔洞并发生沉积,然后再经热解或氧化获得纳米管的方法。She等[8]首次将乙酰丙酮铁前驱体放在150 ℃的低温区,利用O2气流将前驱体的蒸气带入300 ℃的高温区进行热解,同时将氧化铝模板垂直放置在气流通道中,气相沉积1 h,获得外径为100~300 nm、壁厚为20 nm、长度达十几微米的非晶态α-Fe2O3纳米管阵列,500 ℃退火4 h可转变为晶态纳米管。

1.1.3 模板辅助液相沉积法

模板辅助液相沉积法是指以多孔模板为界面,让不同离子从模板两侧进入孔洞并相遇,生成沉淀并优先附着在管壁上,再经退火处理获得金属氧化物纳米管的方法。Zhou等[9]将氧化铝膜置于2个“半U型管”中间,并向两边注入等浓度的Fe2(SO4)3溶液和氨水,静置1 h形成Fe(OH)3前驱体,依次经过分离、清洗、干燥及退火处理,获得直径为260 nm、长度为6 μm的α-Fe2O3纳米管(图1)。该法具有反应温度低、反应时间短、操作简单、设备便宜、无毒、模板易去除及无需晶种等优点。机理研究认为“U型管”两边的Fe3+和OH-通过扩散进入模板孔道并形成氢氧化铁粒子,当试剂分子间的作用力小于试剂分子与孔壁间的作用力时,氢氧化铁粒子就倾向于沿着孔壁成核并生长,形成纳米管。

1.1.4 其它模板法

除了多孔氧化铝模板外,一些前驱纳米线、纳米管或纳米电缆也可作为模板,最典型的是基于Kirkendall效应的纳米线(棒)转化法。Kirkendall效应一般是指发生在原子流动和空缺流动界面的一种非平衡扩散过程[10],当在纳米结构中出现快扩散物质与慢扩散物质的反应时,便会产生大量的空缺,这些空缺会随着纳米结构的生长而相互连接并逐渐变大,形成中空管状结构。利用该效应可将实心纳米线在液相中转变为预想的材料和形貌,具有反应温和、产物尺寸可调、纯度高及产量大等优点。最近,Kirkendall效应已被拓展用于合成纳米管[11,12],如Wang等[13]先通过水热法合成出ZnO纳米棒,然后利用Kirkendall效应形成Fe(OH)3纳米管,再经热处理获得α-Fe2O3及γ-Fe2O3纳米管。机理研究认为,将ZnO纳米棒浸入FeCl3水溶液即发生固液界面反应,在ZnO表面快速形成一层Fe(OH)3的壳,阻止了直接的化学反应的发生,而后继的反应则取决于ZnO中的O和Fe3+通过壳的扩散速率。由于ZnO中的O原子扩散速率快于Fe3+,导致出现晶格空缺,这些空缺经聚集形成了小的Kirkendall空间,该空间进一步连接形成中空纳米结构(图2)。另外,Sun等[14]利用碳纳米管为模板,硝酸铁的乙醇溶液为介质,在超临界CO2的氛围中于150 ℃热解,使碳纳米管的表面包覆有氧化铁纳米粒子,再于氧气氛围中热处理除去碳纳米管,获得α-Fe2O3纳米管。Yu等[15]以Fe纳米管为模板,将其在800 ℃煅烧2 h转变为由纳米粒子构成的α-Fe2O3纳米管阵列。

1.2 电化学阳极氧化法

电化学阳极氧化法一般是以金属箔片为阳极,通过电化学氧化获得相应氧化物纳米管的方法,该法具有可调参数多、易操作、成本低、尺寸易控等优点,成为制备纳米材料的重要手段。目前,该法已成功用于Fe2O3纳米管的可控合成[16,17],如Prakasam等[18]利用恒电位法对铁箔进行阳极氧化,通过调节电位及电解液成分获得孔径50~250 nm、长度300~600 nm的非晶态氧化铁纳米管,退火后可转变为晶态结构(图3)。Latempa等[19]在“NH4F+H2O+乙二醇”体系中对铁箔进行恒电位氧化,获得孔径30~80 nm、壁厚约10 nm的α-Fe2O3纳米管;并发现温度越高,纳米管的生长速率越快,温度较低时,氟离子的浓度则成为控制纳米管生长的主导因素。Mohapatra等[20]在铁箔电化学氧化时结合了超声波技术,13 min就合成出表面光滑、壁厚5~7 nm、长3~4 μm的超薄非晶态α-Fe2O3纳米管,该纳米管具有更好的光电性能。

1.3 水热合成法

水热合成法的主要步骤是将反应原料配制成水溶液,置于密闭高压釜中加热至一定的温度,利用这种非平衡体系进行液相反应,从而获得特殊结构和性能的材料。该法具有能耗低、原料价廉、适用性广、工艺简单、产率高及晶型好等优点,被广泛用于纳米材料的可控合成。如今,水热法已逐渐用于铁系磁性金属氧化物纳米管的合成,如Jia等[21]将FeCl3和NaH2PO4混合水溶液于220℃加热48h,获得外径250~400 nm、内径40~80 nm、长度250~400 nm的单晶α-Fe2O3纳米管,对该纳米管再依次进行氢气还原、空气再氧化,获得γ-Fe2O3纳米管。他们还提出了“溶解协同过程”的纳米管形成机理,认为α-Fe2O3粒子的不同晶面对PO43-的选择性吸附以及Fe3+的协调作用是形成管状结构的关键。纳米管的形成依次经历纺锤状、半管状及管状3个阶段,其中纺锤状前驱体容易被溶液中的质子攻击而表现出高的活性,导致其优先沿着长轴从顶端到内部逐步发生消融,最终形成纳米管。若改用5%氢气和95%空气的混合气体对α-Fe2O3纳米管进行热还原和再氧化,可依次获得Fe3O4和γ-Fe2O3[22,23]。水热合成α-Fe2O3纳米管时,试剂的浓度和物质的量比决定了纳米晶的尺寸和形状[24],如Wu等在使用PO43-和SO42-辅助水热法合成磁性氧化铁纳米短管时,发现铁离子浓度、阴离子数目、反应时间都是形成纳米管的关键因素。其中在氧化铁纳米粒子的晶体生长过程中,其长维方向的晶面所吸附的SO42-对管状的形成起了主要调节作用,SO42-的强烈协同效应导致C轴方向的晶粒优先溶解,促使了纳米管的形成[25]。此外,Song等将“K4[Fe(CN)6]+H2O2”体系在220 ℃反应12 h,合成出长200~1000 nm、直径100~150 nm、壁厚25~30 nm的Fe2O3纳米管,且随着时间的延长,产物形貌依次为纳米球、纳米球构成的链、纳米棒管混合物及纳米管[26]。

在水热合成时,表面活性剂经常被用于控制材料晶面的选择性生长,对纳米材料的可控合成起到了重要作用。为此,Liu等[27]首次以Span80为表面活性剂,尿素为有机碱,正丁醇和水为溶剂,于150 ℃反应12~15 h,获得单晶α-Fe2O3纳米管。机理研究认为,Span80可在正丁醇和水之间形成棒状胶束,其分子上的亲水基团可提供等同的位点用于异相成核,当Fe3+进入水溶液后便可与亲水基团发生配位。而尿素受热分解提供的OH-可与Fe3+在位点处形成FeOOH晶核,且FeOOH分子可绕着表面活性剂分子或沿着棒状胶束外表面通过氢键与FeOOH单体相链接,然后通过分子间脱水形成单晶α-Fe2O3纳米管(图4)。

2 Fe3O4纳米管的合成及形成机理

目前,Fe3O4纳米管可通过α-Fe2O3纳米管的热还原间接获得[13,22,23],其直接合成法主要还是利用模板技术,具体包括以下几类。

2.1 湿模板法

湿模板法也是合成Fe3O4纳米管的重要手段,如Sui等[28,29]将硝酸铁溶液注入氧化铝模板,250℃热解,再经氢气还原2.5h,获得长约50μm、直径150~220 nm的亚铁磁性Fe3O4纳米管。研究发现该纳米管的矫顽力为610 Oe,其磁性呈现卷曲反磁化模式。随后,Wang等[30]用相似的方法合成出Fe3O4多晶纳米管阵列,其平行(垂直)磁场方向的矫顽力为240 Oe(205 Oe),Mössbauer谱研究发现该纳米管阵列的磁矩呈空间各向同性分布,但宏观测量却发现该纳米管的易磁化轴平行于纳米管轴。

2.2 其它模板合成法

Liu等[31]在Si/SiO2基底上生长出MgO纳米线,然后用脉冲激光沉积技术获得MgO/Fe3O4核壳纳米线,并用(NH4)2SO4溶液的选择性刻蚀除去MgO内核,获得外径30 nm、壁厚7 nm的Fe3O4纳米管(图5)。Bachmann等[32]采用模板辅助原子层沉积法成功合成出Fe3O4纳米管,通过对纳米管生长速率的精确控制及磁响应研究,发现管壁厚度极大地影响了纳米管的磁性反转机制及剩磁值。此外,Geng等[33]首次以鸡蛋清为模板,Fe2(SO4)3为原料,水合肼为还原剂,乙醇为溶剂,在140 ℃热处理24 h,合成出直径50~60 nm、壁厚15~20 nm的单晶Fe3O4纳米管,其饱和磁化强度为81.7 emu·g-1,矫顽力为168.1 Oe。机理研究表明,Fe3+首先与鸡蛋清分子进行自组装形成无机-有机配合物,随着水合肼在水中的不断扩散,乙醇分子形成二聚体并聚集在鸡蛋清分子周围,这种聚集会因鸡蛋清中的氮原子与铁离子的配位作用而得到加速,并逐渐形成一种片状结构,随着温度的升高,氢键和缩氨酸键开始断裂并在3个维度产生强烈的堆垛作用,使得片状结构逐渐沿着长轴发生卷曲,形成纳米管。

3 其它铁系金属氧化物纳米管的合成及形成机理

在各种铁系金属氧化物纳米管中,铁氧体纳米管因原料易得、合成方法多、用途广泛,且不同类型的氧化物之间还可相互转化,故而成为人们的研究重点。钴、镍氧化物纳米管的组分相对比较单一,但它们也具有各自的性能优势。例如,氧化钴具有反铁磁性能,且电容量高。而铁钴氧体的机械强度和矫顽力较高,在高热应用方面具有一定的优势。

3.1 Co3O4纳米管

3.1.1 模板合成法

Li等[34]以氧化铝膜为模板,通过交流电沉积技术合成出钴纳米线,然后将其置于600 ℃的空气中煅烧20 h,获得磁性Co3O4纳米管。机理研究认为,在煅烧过程中会交替出现氧化、相转变、蒸发、结晶化等过程,其中钴纳米晶的氧化和蒸发之间的竞争对管状纳米结构的形成起到了决定性的作用(图6)。Xu等[35]将氧化铝膜依次浸入CoCl2溶液和氨水中即形成粉红色氢氧化钴,再经清洗、干燥、退火获得Co3O4纳米管,该纳米管具有良好的电容量。然而,用氧化铝模板合成Co3O4纳米管时,模板很难被完全除去,且所得纳米管的直径一般大于100 nm,不适合用于锂离子电池。故Du等[36]改用碳纳米管为模板,并将之浸入Co(CO)12的正己烷溶液中,超声处理,合成出CNTs-CoOx纳米电缆,再经煅烧获得直径为30 nm的Co3O4纳米管,该纳米管具有较高的电容量和良好的循环寿命。此外,利用Kirkendall效应也是合成小尺寸Co3O4纳米管的有效途径,例如,在惰性氛围中利用喷溅技术对醋酸钴的甲醇溶液进行雾化,然后进行高温分解,便可获得直径20~25 nm、长几微米的Co纳米线,在空气中退火便可获得外径40 nm、壁厚10 nm的Co3O4纳米管[12]。

3.1.2 其它合成法

Shi等[37]以水溶性的钴配合物为前驱体,将之预涂在胶体粒子上的聚合物分子层中,然后煅烧,利用钴配合物中强烈的分子间氢键作用获得Co3O4纳米管。研究发现,产物的形貌依赖于前驱体上的官能团,分子间氢键有利于形成链状产物,该链状产物由前驱体和覆盖有胶体粒子的聚合物组成,并可作为新模板促使纳米管的形成(图7)。Wang等[38]利用超声微乳液技术,将CoCl2·6H2O、十二烷基苯磺酸盐(DBS)和乙二醇溶解在二甲苯中,然后逐滴加入含水合肼的乙醇溶液,回流获得蓝紫色沉淀,经离心分离、清洗、干燥后获得直径从几十到二百纳米、壁厚2~20 nm的Co3O4纳米管。研究机理表明,肼和DBS对纳米管的形成起到了关键作用。刚开始,肼与Co2+反应形成稳定的[Co(N2H4)3]2+配合物,回流时,过量的肼又作为还原剂将[Co(N2H4)3]2+转化为Co,随后被空气快速氧化形成Co3O4纳米管。

3.2 NiO纳米管

Lee等[39]利用湿模板技术,以硝酸镍为原料获得了NiO纳米管。若改用硝酸镍和硝酸锂的混合溶液,则可获得壁厚40~50 nm、外径(200±10) nm、分散有Li的NiO纳米管,该纳米管的外表面经氟化处理后,可用作储氢材料。

3.3 铁钴氧体纳米管

吕丽娅等[40]通过湿模板法合成出薄壁CoFe2O4纳米管,通过改变“润湿-热解”的次数可调节纳米管的壁厚。结果表明,组成纳米管的超细晶粒呈立方尖晶石状的多晶结构,且纳米管直径的增大还会导致其壁厚、晶粒、矫顽力以及矩形比的增大。此外,采用湿模板技术还可合成出长约10 μm、外径200 nm、壁厚30 nm的Zn/Co/Fe复合氧化物纳米管阵列[41]。Xu等[42]以氧化铝膜为模板,柠檬酸为表面活性剂,通过改良的溶胶-凝胶法合成出直径约50 nm、壁厚约15 nm的CoFe2O4多晶纳米管。机理研究表明,溶液中的尿素受热分解导致溶液pH值升高,OH-与Fe3+、Co2+形成带负电的Fe[(OH)x](H2O)y和Co[(OH)x](H2O)y溶胶,该溶胶被带正电的模板孔壁吸引,并在孔道毛细现象的协同作用下,优先在孔壁处沉积并固化,然后才能逐渐拓展到孔道中心区域,经煅烧,模板孔道中的溶胶通过缩合反应转变为CoFe2O4纳米管。随后徐宝龙等[43]在Fe(AO)3和Co(AO)2的柠檬酸和乙二醇混合体系中也获得了CoFe2O4纳米管。

4 几种铁系磁性金属氧化物纳米管的应用

4.1 α-Fe2O3纳米管的应用

在各种磁性金属氧化物纳米管中,α-Fe2O3的稳定性高、消耗低、能隙小,可广泛用于气体传感、锂离子电池、催化、水裂解、水纯化及太阳能转化等领域。常见的应用有以下3个方面:(1)生物及传感方面。纳米磁性氧化铁可用作磁共振成像造影剂、磁诱导药物传输工具及生物材料的磁性分离,其纳米管状结构还可广泛应用于气体传感,如α-Fe2O3纳米管对乙醇和氢气等表现出优异的传感性能[6],并可通过催化化学发光技术实现对硫化氢的超灵敏传感[15]。(2)电池材料方面。α-Fe2O3纳米管具有高的表面积,能为离子和电子提供快速通道,从而获得高的充/放电速率。此外,纳米管还可直接生长在电流集电器上,可有效降低接触电阻。Xie等[17]合成的α-Fe2O3纳米管的比电容为138 F/g(电流密度为1.3 A/g),倍容率可达91 F/g(电流密度为12.8 A/g),循环500次后,其比电容仍可保持在89%。(3)光电方面。α-Fe2O3间接跃迁的能隙约为2.2 eV,可以捕捉太阳光的能量,其理论最大光电转换效率可达12.9%[44]。目前,已有研究表明,管状α-Fe2O3拥有更好的光电转化性能[18],而且当管壁特别薄或结晶化程度非常高时,其光响应性能可得到明显改善[19]。例如,壁厚为5~7 nm的α-Fe2O3纳米管在光解水时可产生1.41 mA/cm2的光电流,其中可见光的贡献超过50%[20]。该纳米管阵列还可光催化降解亚甲基蓝等有机污染物,其对可见光和模拟太阳光的光电转换效率分别为0.51%和0.60%[16]。此外,α-Fe2O3还具有很大的折光系数和很好的三阶非线性光学性能,其中空纳米晶会因尺寸的变化发生光学蓝移现象[24]。

4.2 Fe3O4及Co3O4纳米管的应用

除α-Fe2O3纳米管外,Fe3O4纳米管因其独特的结构和优异的磁性也常被用作自旋电子设备、磁流体、生物传感器、数据储存设备及磁力显微镜的扫描探针等[28,29,45],其室温下的电阻系数可达4×10-2 Ω·cm,并随温度的降低而线性增大,活化能约为0.1 eV,可在0.7 T、77 K时产生磁致电阻[31]。此外,Fe3O4磁性纳米管还可用于生物领域,如Son等[46]利用模板辅助溶胶凝胶技术合成出内表面覆盖有一层Fe3O4纳米粒子的硅纳米管,经荧光素标记后可用于人IgG的磁性分离、免疫绑定及药物传输。纳米Co3O4拥有特殊磁、光及传导性能,可用于催化、传感及作为电极材料[38]。有研究表明,Co3O4纳米管拥有很好的电容量,在电流密度为0.1 A/g时,电容可达574 F/g,经过1000次连续的充放电仍能保持95%的比电容,是一种很有前景的超级电容材料,可为新型锂离子电池的研制奠定基础[35,36]。

5 结语

非金属管论文 篇4

核电站压力容器顶盖仪表测量管 (如图1) 用于压力容器内中子通量的测量, 每个顶盖上分布有8根仪表测量管, 仪表测量管属于一回路系统重要组成部分, 其异种金属焊缝的焊接容易产生气泡、裂纹等缺陷, 存在缺陷的焊缝在缺陷位置容易产生断裂[1,2], 使一回路带放射性物质存在泄漏风险, 因此必须定期对该类焊缝进行检查。异种金属焊缝超声检测在国内、外领域都是难题, 不同国家的产品标准对检测方法也各不相同。由于超声检测具有检测成本低、速度快、灵敏度高、仪器轻、对现场环境要求低等优点, 所以广泛应用在核电设备无损检测中[3,4]。

1 仪表测量管简介

带仪表测量管的压力容器顶盖结构不同于国内现有堆型, 其反应堆压力容器没有设计底部贯穿件, 所有的测量通道均布置在顶盖上, 顶盖仪表测量管异种金属焊缝是该关键设备上的薄弱环节, 相应规范也将其纳入强制必检项目, 检查实施方式及检查质量都受到业主及监管机构高度重视。

压力容器顶盖仪表测量管异种金属焊缝共8条, 在顶盖周围均匀分布, 其壁厚为33.4mm, 外径准φ187.5mm, 仪表测量管外表面与下筒体内表面间最小尺寸为115.8mm。其模型如图1所示:1.仪表测量管接管;2.异种金属焊缝;3.仪表测量管。顶盖上除了有仪表测量管外, 还有其它很多附属设备分布于周围, 焊缝所处位置空间狭小, 其模型如图2所示:1.顶盖2.门孔3.仪表测量管4.下筒体5.挡流板6.CRDM管;顶盖区域属于高剂量区, 对在该区域进行检查设备安装、操作人员有较大影响。

目前比较成熟的异种金属焊缝超声自动检查技术主要是针对压力容器进水口、出水口接管焊缝, 而仪表测量管异种金属焊缝直径小、壁厚薄, 虽然二者材质相近, 但结构尺寸以及周围环境存在巨大差异, 使得压力容器进水口、出水口接管异种金属焊缝超声自动检验技术在此不能适用。因此, 必须针对仪表测量管异种金属焊缝开发专用的检查设备及超声检验技术。

2 顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置总体设计

2.1 检查装置机械结构设计

图3所示为顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查检测示意图, 它包括轴向定位组件, 周向运动组件、轴向运动组件及耦合剂储存组件等四个部分, 其中轴向定位组件安装于仪表测量管顶端后, 保证轴向、周向运动组件在仪表测量管轴向每次安装位置一致, 周向定位杆将周向运动组件周向限位, 轴向运动组件固定在周向运动上, 周向运动旋转, 带动轴向运动整体旋转, 从而带动探头整体旋转。

周向运动组件由导轨滚轮副限制其余五个自由度, 在电机驱动下, 只能绕导轨旋转, 其定位采用两个固定夹定心, 此两个固定夹呈120°角度分布, 在与两固定夹分别成120°的位置, 设计有一快速夹紧机构, 使其安装过程中能实现快速安装, 准确定位。轴向运动组件螺纹连接在周向运动组件运动载体上, 在周向运动电机带动下, 轴向运动组件整体绕仪表测量管旋转。两个运动轴的相互配合, 可以实现仪表测量管异种金属焊缝的轴向与周向自动扫查。

1.轴向定位组件;2.仪表测量管;3.周向定位杆;4.周向运动组件;5.轴向运动组件;6.下筒体;7.探头夹持器;8.耦合剂储存器.

2.2 检查装置系统说明

压力容器顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置包括机械系统、控制系统和超声系统等三个方面内容研究, 其检查设备研究框图如图4所示:

3技术难点及解决方法

3.1 技术难点

1) 仪表测量管周围空间狭小, 安装及检测受到下筒体、顶盖、挡流板、CRDM管等部件的限制 (如图2) ;

2) 轴向与周向定位准确、可靠, 同时, 保证安装时间尽量少, 设备轻便;

3) 耦合剂收集困难。

3.2 解决方法

3.2.1 仪表测量管周围空间狭小, 障碍物多的解决方法

针对周围空间狭小, 障碍物多特点, 仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置设计时, 合理选用和布置传动方式, 控制轴向运动组件和周向运动组件各零部件尺寸, 每个尺寸都经过准确计算, 建立其三维模型, 确保每个环节准确, 最终保证其三维模型与实物一致, 确保装置研发成功。

3.2.2 周向、轴向准备定位、快速安装解决方法

为了实现快速安装, 保证人体在设备安装过程中被照射剂量尽量低, 轴向定位组件、周向运动组件、耦合剂收集组件均设计由两半组成, 一端由合页把两部分连接好, 另一端靠快速夹钳将两部分快速夹紧, 使其连接后成一个整圈。轴向定位组件中有三根定位杆与周向运动组件中三个定位块相连, 能保证轴向尺寸每次安装一致, 周向定位采用周向定位杆与最近的一根CRDM管相切, 周向定位杆固定于周向运动组件上, 该方法能保证装置每次安装于仪表测量管后, 与仪表测量管周向角度一致。

3.2.3 耦合剂收集困难解决方法

在检查装置的下部摆放一个专用装置进行耦合剂收集, 此装置底部一侧与下筒体上表面支撑面贴合, 设计时保证此装置与仪表测量管联接件采用橡胶材质, 快速夹钳夹紧的同时, 保证橡胶与仪表测量管紧密贴合, 从而实现扫查过程中顺着仪表测量管外壁往下流的耦合剂进行收集, 为了保证耦合剂形成一个闭合回路, 在此耦合剂收集装置下部开有两个引流孔, 然后通过水管引至专用耦合剂储存装置。

4 结语

本文提出了一种能够实现同时进行仪表测量管周向和轴向焊缝检查功能的顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置, 详述了顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查的结构特征, 详述了周向往复扫查、轴向往复扫查、周向定位与轴向定位的实现方法。保证了监测数据的准确性与可靠性, 减少了人体受放射性射线的照射, 为顶盖仪表测量管异种金属焊缝的超声检查带来帮助。

摘要：顶盖仪表测量管异种金属焊缝关系着核反应堆回路系统的安全运行, 为有效避免安全事故的发生, 必须对该类焊缝进行无损检测。根据无损检测规范要求, 仪表测量管异种金属焊缝适合进行超声检查。然而, 由于仪表测量管周围空间狭小, 安装及检测受到相关零件的限制, 而且目前没有专门针对对此部位焊缝检查的成熟技术及专用检查装置。为此, 本文提出了一种核反应堆压力容器一回路系统的顶盖仪表测量管异种金属焊缝检查装置, 其能够按照相关检查规范要求有效的对该处焊缝进行超声自动检查, 确保险期检测数据准确、可靠。

关键词：核反应堆,焊缝,超声自动检查装置

参考文献

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[3]雒里柯.异种金属焊缝常规超声检测应注意的几个问题[J].无损探伤, 2013, 37 (6) :32-33.

非金属管论文 篇5

金属管材在工业实际中有大量应用。国内目前主要是用切割的方法来切断金属管材,但该方法浪费原材料,噪声大,断面毛刺较长[1,2,3]。采用剪切加工可改善上述缺点,其无废料损失且生产效率高,特别适合大批量生产,但一般的剪切下料法所生产的毛坯变形比较大,不能满足精密成形要求[4,5,6]。为提高剪切下料精度,减小毛坯形变量,带芯棒剪切工艺应用而生。但该方法仍然会使管料断面产生压塌、撕裂等缺陷[4,5,6,7,8,9]。当前针对管料下料工艺研究较少,所以新的管料下料工艺和下料机理需进一步探索和完善。

文中提出了一种新型的旋转疲劳弯曲精密下料系统,该系统利用管料表面预制V形槽缺口的应力集中效应,在循环弯曲载荷的作用下,使V形槽底部萌生裂纹并不断沿径向扩展,最终实现低周疲劳低应力精密下料。文中利用所提新系统及工艺,研究了不同外载频率曲线对管料断面质量的影响规律,获得了下料过程中理想的外载频率曲线,在此外载频率曲线的基础上研究了不同壁厚的304不锈钢管的下料问题,并对其断面质量进行了测量和评价。实验表明该系统所采用的下料工艺不仅有高的下料效率且能获得高质量的断料。

2 高速旋转弯曲疲劳下料原理

该新型旋转疲劳弯曲精密下料系统的下料原理图如图1所示。

1.偏心模具固定盘2.下料模具3.待下管料4.管料固定套

图1 旋转疲劳弯曲精密下料原理图

下料机工作前,管料的中心线O2O2与下料模具的中心线相重合且与偏心模具固定盘的中心线O1O1平行并保持长度为e的偏心量。开始工作时,偏心模具固定盘绕其中心线O1O1自转,并带动下料模具绕O1O1轴公转,公转半径为e,这样便会带动管料的加持段做高速弯曲圆周运动,由于管料的另一端被管料固定套固定着,这样便会使管料在其加持位置到环状V形槽之间的部分(L段)受到弯曲和剪切的复合作用力,此复合作用力在V形槽底部产生很大的应力集中,便能使管料在环状V形槽根部产生裂纹,并快速扩展直到断裂。

3 新型旋转疲劳弯曲下料系统

该旋转疲劳弯曲下料系统包括机械系统和控制系统两大部分,下料系统如图2所示。

图2 新型高速旋转弯曲疲劳下料系统

3.1 机械系统

新型旋转疲劳弯曲下料系统如图3所示,其机械系统主要由传动机构、旋转弯曲下料机构和管料固定机构组成。

图3 管料精密下料试验机

传动机构包括电机,电机轴上装有带轮,电机下方的机架上沿同一水平方向装有传动轴和主轴,传动轴一端安装有从动带轮,另一端安装有齿轮,齿轮和主轴配合,主轴为空心轴其固定于机架上。旋转弯曲下料机构包括下料模具,下料模具通过轴承连接于偏心模具固定盘上,偏心模具固定盘固连于主轴的一端。管料固定机构包括支架,支架固定于底座上,支架上装有有管料固定套,管料一端放置于下料模具中,一端放在管料固定套中。

该机构下料时,管料一端固定于管料固定套中,另一端置于下料模具中,电机启动后,主轴转动进而带动偏心模具固定盘转动,从而给管料端部施加一高速循环弯曲载荷,由于管料径向V型槽的应力集中效应,在高速循环弯曲载荷的作用下,V形槽底部萌生裂纹并迅速扩展然后瞬间断裂。图4为下料模具与管料固定套部分的局部放大图,图中比较清晰地显示了管料与下料模具和管料固定套之间的安装关系。管料的V形槽需放置在管料固定套的右端部截面处。

图4 下料模具与管料固定套筒局部结构图

3.2 控制系统

下料机构的控制系统结构如图5所示,主要包括转速控制和音频监测两大部分。其中转速控制部分主要用来调节和控制下料模具转速,上位机发出的模拟信号通过数据采集卡到变频器,通过变频器控制交流异步电机的转速来控制下料模具的转速,进而达到控制施加给管料的外载频率的目的,同时光电传感器将下料模具的转速信息(等同于施加于管料的外载频率)反馈给上位机,以便进行转速的是实时控制。音频监测部分主要是监测下料过程中下料模具处的声音频谱的变化,根据频谱分析来判断下料过程中管料的起裂和断裂时间,以实现整个系统的自动化。

图5 下料机控制系统结构图

4 304不锈钢管精密下料实验研究

4.1 实验管料参数

304不锈钢是一种通用的不锈钢,被广泛用于制造要求良好综合性能的设备和机件。实验采用工业中常用的304不锈钢管为研究对象,其几何参数如图6所示,图中L、D、d、r、h、α分别为下料长度、管料外径、管料内径、V形槽底角半径、V形槽深度、V形槽角度。根据课题组已有研究成果和实际生产需要[10],本实验选用两种规格的管料进行下料实验:(1)L=50mm,D=20mm,d=14mm,r=0.2mm,h=0.5mm,α=90°,壁厚3mm;(2)L=50mm,D=20mm,d=10mm,r=0.2mm,h=0.5mm,α=90°,壁厚5mm。

图6 实验管料参数

4.2 外载频率曲线的确定

为考察不同外载频率下管料的下料质量,在课题组已有的研究成果上[11],实验采用如图7所示的四种外载频率曲线。

图7中f1表示下料初始频率,f2表示下料终止频率,f△表示采用阶梯形外载频率曲线时的中间过渡频率,te表示下料结束所用时间,t1表示采用递增形外载频率曲线时频率递增所用时间、t2表示采用递减形外载频率曲线时频率递减所用时间,t3、t4表示采用阶梯形外载频率曲线时各阶段用时,采用不同外载频率曲线时的f1、f2和te都不尽相同。

图7 不同形式的外载频率曲线

4.3 实验验证

为了验证采用哪一种外载频率曲线可以得到好的下料质量,选用壁厚为3mm的304管料并按图7中设计的四种外载频率曲线进行了实验研究。通过实验对比发现采用图7d阶梯形的外载频率加载方式下料质量最好可以得到光滑平整的断面,在此基础上选用壁厚为5mm的304管料按图7d阶梯形的外载频率加载方式进行下料实验,实验所得管料的断面质量十分平整。图8为分别采用四种外载荷频率曲线所下管料的实物图,其中图8a为采用常数形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面实物图,图8b为采用递增形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面实物图,图8c为采用递减形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面实物图,图8d为采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面实物图,图8e为采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为5mm管料的断面实物图。

图8 采用不同外载频率所下管料实物图

5 管料断面测量与评价

5.1 所下管料断面平面度测量

为了量化评价所下304管料的断面平整程度,采用如图9所示的CARL-ZEISS CS100-2828-18三坐标测量仪,对采用阶梯形外载频率所下管料(图8d、8e管料断面)的断面三维坐标进行测量,并对其平面度进行分析。

图9 CARL-ZEISS CS100-2828-18三坐标测量仪

根据所测数据绘制出的管料断面三维图如图10所示,其中图10a为采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面三维图,图10b为采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为5mm管料的断面三维图。

图1 0 管料断面三维图

5.2 所下管料断面质量评价

根据管料断面三维图分析可看出,采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为3mm管料的断面相对于理想平整断面(平面度为0的断面)其最高点坐标为0.296853mm、最低点坐标为—0.048339mm,平面度为0.345192mm,实际断面中有13%的区域相对于理想平整断面的高度偏差超过了0.1mm,其余87%的区域相对于理想平整断面的高度偏差小于0.1mm。而采用阶梯形外载频率曲线所下壁厚为5mm管料的断面相对于理想平整断面其最高点坐标为0.1mm、最低点坐标为—0.035mm,平面度为0.135mm,所有区域的高度偏差都在0.1mm内,断面相对来说比较平整。

管料下料的目的是为了给下一工序如精锻挤压等工序提供原始坯料,因此对毛坯的精度也就有相应的要求,一般精锻或挤压工艺通常要求毛坯体积误差小,断面变形小,断面平整且无明显撕裂而且断面与管料轴线的垂直度要高[12,13]。根据对下料工艺的分析以及上述管料断面的测量结果可以看出,采用文章提出的新型高速旋转弯曲疲劳精密下料系统所下管料,由于属无屑精密下料所以其所下毛坯体积误差接近于零,而且此工艺是靠低应力疲劳裂纹扩展(裂纹在微观尺度沿径向逐步向内扩展)来实现断料的,因此所下管料断面变形很小且比较平整,无宏观撕裂,同时也不会影响断面与管料轴线的垂直度,所下管料能达到下一工序的使用要求。

6 结论

(1)研制出一种厚壁管旋转疲劳弯曲精密下料系统。该系统包括计算机控制系统和机械系统两大部分,通过计算机控制系统控制机械系统的转速来改变机械系统施加给管料的外载荷频率,从而实现变载荷的旋转疲劳弯曲精密下料。

(2)按照常数型、递增型、递减型和阶梯型四种不同的外载荷频率曲线对外径20mm、壁厚分别为3mm和5mm的两种不同规格的304不锈钢管进行了下料实验,实验发现采用阶梯形外载频率曲线对两种不同规格的管料均能下出断面质量较好的断料。

非金属管论文 篇6

MOFs材料结构丰富、组成多样、并可通过多种方式调控孔道尺寸和修饰多种基团使其在吸附分离、气体的储存、催化剂等方面具有重要的应用价值。MOFs材料所具有的多孔性、高比表面积、多功能性和稳定性使其在色谱分离中也表现了巨大的潜力。己有不少文献报道了金属有机骨架材料用作液相、气相色谱及毛细管电色谱固定相分离多种有机化合物。开管毛细管电色谱作为毛细管电色谱的一种, 具有制作便捷, 柱效高等优点。下面主要介绍MOFs作为固定相在开管毛细管电色谱中的应用。

1 金属有机骨架开管毛细管电色谱

金属有机骨架材料应用于开管毛细管电作色谱固定相时, 采用的涂覆方法主要有两种:物理涂覆及化学修饰。

1.1 物理涂覆法

物理涂覆法是通过疏水作用、静电吸引吸附等作用使含有不同基团的物质被涂覆到毛细管内壁上的方法。通过物理涂覆固定相制作开管毛细管色谱柱制备比较简单, 但其涂覆的固定相不稳定, 易脱落, 柱使用寿命较短, 并且在制备和使用过程中堵塞的风险很大。因此制备此种OT-CEC柱大多选用较大内径 (通常为75μm) 的毛细管, 一方面是为了降低使用时的压力, 不至于导致涂层脱落;另一方面可防止毛细管柱堵塞。主要方法有静电涂覆、层层自组装 (聚合电解质叠层、液相外延法) 等。

静电涂覆的基本过程为将饱和的硅酸钠溶液通过毛细管, 并使毛细管再静置60min。将磨细的MOFs悬浮液在N2推动下通过毛细管柱, 在管内壁形成湿的涂层后, 再通N2吹毛细管柱使溶剂挥干。基于此种方法, Fei等[2]将[Zn2 (D-Cam) 2 (4, 4’-bpy) ]n涂覆于毛细管内壁上, 二氢黄酮和吡喹酮以及同分异构体 (硝基酚类和紫罗酮) 在手性微环境中与MOF最佳立体配合点的相互作用影响下完成手性分离。

层层自组装分液相外延法及聚合电解质叠层。液相外延法的基本过程为向硅烷化的毛细管内先后注入金属Fe3+溶液和有机配体1, 3, 5-苯三甲酸溶液, 两者通过自组装方式在毛细管内壁上会键合上一层MIL-100 (Fe) 材料;经过多次反复自组装后, 多层MIL-100 (Fe) 材料便会涂覆于毛细管内壁上[3]。此柱应用于反相分离, 因多孔的尺寸筛选及有机配体与分析物之间的疏水效应, 可分离硝基苯酚, 苯胺类, 烷基苯, 吡啶等。此外HKUST-1 (MOF-199) 也可用液相外延法涂覆, 亦用于反相分离, 在疏水作用及取代苯与芳香族骨架的相互作用下, 可分离烷基苯, 酚类, 酚类化合物[4]。

聚合电解质叠层的基本过程[5]:将GLYMO-IDA-硅烷泵入预处理的毛细管30min, 于烘箱中95℃下放置12h, 两端用橡胶塞密封。室温下将10m M的Zn (CH3CO2) 2·2H2O甲醇溶液泵入硅烷化的毛细管15min。之后, Zn2+改性的毛细管与10m M 1-HL在室温下反应30min。在两种溶液的交替之间, 用甲醇冲洗毛细管5min。继续用Zn (CH3CO2) 2·2H2O和1-HL溶液循环泵送数次之后, 成功制备了MOF Ala Zn Cl包被的毛细管柱。毛细管内壁上的Al Zn Cl的涂层厚度可以通过改变溶液循环的次数来控制。基于Ala Zn Cl和手性化合物于空间的手性定位, Ala Zn Cl可用于手性分离手性胺类化合物一元胺神经递质。

1.2 化学修饰法

化学修饰法是通过共价键的方式将固定相涂覆到毛细管内壁上的方法。与物理涂覆固定相相比, 化学键合固定相具有更高的稳定性及更长的使用寿命。主要方法有原位聚合、原位制备等。

原位聚合的基本过程, 以CAU-1为例[6]。将毛细管内注满γ-MAPS的甲醇溶液 (1/1, v/v) , 40℃反应16h。然后用甲醇洗涤以除去残留的γ-MAPS并用氮气流干燥。将CAU-1溶解在DMSO中, 加入MMA, EDMA和AIBN, 加入CAU-1溶液中并超声处理。将所得溶液填充到毛细管中, 通过吹入氮气将多余溶液从毛细管中吹扫出来, 使毛细管壁留有薄层。密封毛细管的两端70℃聚合16h。用甲醇除去未反应的试剂。涂覆后的柱可用于反相分离酸性化合物, 也可用于离子对分离带正电的氨基多肽类化合物。

原位制备的基本过程为将MOFs用硅烷化试剂修饰, 再于溶剂中超声均匀后, 将混悬液注入色谱柱, 密封两端放置12h以上。典型的应用是ZIF-90预成型后涂覆于毛细管内壁用于反相分离。利用ZIF-90的多孔结构和有机配体与分析物的疏水作用可分离二甲苯的同分异构体、多环芳香烃、苯胺类化合物、非甾体抗炎药等[7]。

2 展望

近年来, MOFs获得了飞速的发展, 其作为新一代多功能材料因其具有多孔性、高比表面积及良好的化学和热稳定性, 非常适合作为CEC固定相。能分离的物质可以从无机物到有机物;小分子到大分子;非手性化合物到外消旋化合物, 前景十分广阔。伴随涂层技术的发展, 在开管毛细管的制备及应用方面必将越来越成熟, 分离的物质必将越来越广, 分离的效果势必越来越好。

参考文献

非金属管论文 篇7

添加金属制备的陶瓷是由一种或多种金属相与陶瓷相或合金组成的多相复合材料。美国标准试验方法 (ASIM)金属陶瓷复合材料研究员会给金属陶瓷复合材料下了如下定义 :“一种由合金或金属与多种陶瓷相组成的非均质的复合材料,同时在制备温度下,金属相与陶瓷相的溶解度是极度微弱的”[1]。

研究添加金属制备陶瓷其目的是制取具有良好综合性能的金属陶瓷复合材料,力求得到既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀和抗氧化等特性, 又有较好的金属韧性和可塑性,同时具有潜在的光热转换性能,因此该类型材料具有重要的工具材料和结构材料性能,涉及相关现代应用技术的领域,应有较广泛用途及前景[2]。

贵州遵义地区锰矿资源丰富 , 是贵州省主要金属锰及锰合金产品的主要来源。锰渣是企业提取金属锰后残留堆放的废弃物。该地区每年锰渣的排放量有几十万吨, 不仅堆放占用大量土地并且还污染周边环境,对居住在附近居民的健康有危害[3,4]。

贵州铝土矿资源丰富,但由于开采过程中往往只利用高品位铝土矿,摒弃低品位铝土矿(铝质岩 :Al2O3含量< 45% 以下),同时铝质岩的大量废弃堆积给环境带来一定危害,因此铝质岩的资源化利用凸显出其必要性[5]。

本次制备陶瓷管实验原料采用遵义地区锰渣和贵州修文县的铝质岩,探索锰渣及铝质岩制备功能陶瓷的可行工艺方法和条件,并添加金属铁粉,开展其对陶瓷性能影响研究,从而实现锰渣、铝质岩综合利用并提高其经济利用附加价值。

1锰渣及铝质岩的成分分析

1.1锰渣化学成分分析

锰渣主要化学成分分析见表1所示 :主要化学组分为Si O2、Al2O3及Fe2O3。

锰渣的矿物组成测试在中国科院贵阳地球化学研究所完成 :根据锰渣的XRD衍射图谱分析[6](图1),锰渣的主要矿物成分为石英、石膏、黄铁矿、锐钛矿和少量的方解石,其中粘土矿物总量的51.1%,有利于制备陶瓷。

1.2铝质岩的组分构成分析

铝质岩主要化学成分见表2 :主要化学组分为Si O2、 Al2O3。

根据铝质岩的XRD衍射图谱分析[6](图2),铝质岩的主要矿物成分是锐钛矿、勃姆石、一水硬铝石、粘土矿物。其中粘土矿物占58.8%,粘土矿物及其铝的氢氧化物等有利于陶瓷制备。

测试单位 :贵阳金波科技发展有限公司

2添加金属铁陶瓷管的制备

2.1陶瓷试验配方设计

原料 :遵义地区锰渣、修文铝质岩、铁粉及高岭土。

采用三元成分图解法进行配料计算,先把坯料和所用原料中的氧化物换算为Al2O3-Si O2-K2O三元成分图解数据[7]。参考建筑日用陶瓷配方[8]表3,设计采用Al2O3-Si O2-Ca O相图确定氧化物基金属铁陶瓷管坯体配方。利用Al2O3-Si O2-Ca O系统相图计算氧化物基金属铁陶瓷管坯料配方时,化学组成中主要的氧化物分别乘以转换系数为相当的Ca O含量,把Fe2O3乘以0.64转化系数为相当Al2O3的含量(如Na2O的转化系数 =Ca O的相对分子质量 /Na2O的相对分子质量 =56/62=0.90)。

根据Richters[7]的近似原则,现将陶瓷管坯体原料中相应氧化物换算为Al2O3、Si O2、Ca O含量。其换算过程如表4。

设配坯料100 g时用铝质岩为x,锰渣为y,高岭土为z,则根据坯料和原料的组成可列出下列方程组 :

解方程组得 :x=24.53 g y=15.46 g z=64.48 g。考虑铝质岩、锰渣、高岭土的灼减损失量,则包含灼减的生料配方如表5。

为了考察铁粉用量对陶瓷管性能的影响,进行不同铁粉掺入量的对比试验,试验配方如表6。

2.2实验过程

(1)制备试验流程

生产工艺如图3所示

(2)试样制备

原料烘干破碎过200目筛,按照表6的配方混料均匀。加入8% 的水分混匀。填入模具压制成型,将压制好的管材胚体静置于背阴处,自然风干后准备烧制。

(3)烧制实验

在烧制实验前制作测温三角锥,通过测温三角锥反复测试确定烧制实验所需合适成瓷温度,并确定烧制过程中升温、保温时间。烧制温度曲线如图4。试验中发现不同比例铁粉的加入对于烧制时的成瓷温度有影响,随着铁粉含量的增加烧制最高温度不同,见图5。 烧制完成后,试件在炉内自然降至室温。烧制前与烧制后成品见图6。

3金属铁陶瓷管的性能测试

3.1抗压强度测试

本实验抗压强度测试采用YES-2000数显式压力试验机进行测试。抗压强度测试结果如下表7。

由表7数据可以得出试件的抗压强度随铁粉含量添加有差异,铁粉增加,抗压强度也呈增加趋势,表明铁粉的加入对陶瓷的力学性能有一定的影响。当铁粉含量达到14% 后,对抗压强度的影响趋于稳定。

3.2吸水率测试

金属铁陶瓷管的吸水率的测定是按国标《陶瓷砖试验方法第3部分》:吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定《GB/T3810.3-2006》中的煮沸法来进行的[9]。 计算公式 :

测试实验结果如下表8。

3.3耐酸性测定

耐酸性测定 :用砂纸将制品打磨至光滑测其表面积S ;用超声波在无水乙醇中清洗10 min,烘干称重M1, 然后在室温下用10% 的盐酸浸泡30 h(t),取出清水洗净, 再用超声波在无水乙醇中清洗10 min,烘干称重M2计算腐蚀速度。其腐蚀速度公式为 :

测试结果如下表9。

由表9可知4个样品均具有较小耐酸速度。试验发现, 经过10% 盐酸连续浸泡30 h后,各制品表面几乎没有明显的变化,说明了金属陶瓷具有良好的耐酸性能。

4金属铁陶瓷管矿物成分分析

4.1金属铁陶瓷管XRD分析

将陶瓷管粉末进行XRD测试分析,其结果如图7所示。

测试结果表明,金属铁陶瓷管中的主要矿物为含铬的莫来石Cr0.5(Al3.93Si1.57) O9.79、方石英(Si O2)和赤铁矿(Fe2O3),这个三个矿物之间的比例分别是莫来石占77%,方石英占7%,赤铁矿占16%。

4.2普通陶瓷管与金属铁陶瓷管显微镜对比分析

从图8可以看出铁粉在高温下产生聚积形成团粒状、参差分枝状及椭圆状等。铁质矿物粒度大于基质矿物,形成分散状分散于基质矿物中,构成基底支撑结构。 部分铁质矿物以细微状分散于基质矿物中,形成包裹体, 对陶瓷的强度、韧性有较大的影响。其中细微粒白色矿物为石英。

4.3金属铁陶瓷管扫描电镜分析

由图9中可知, a图中A处表示陶瓷管中灰色部分为含铬的莫来石,其化学组分为(Cr0.5( Al3.93Si1.57) O9.79)。b图中B处是陶瓷管中的赤铁矿,C处白色亮点为方石英,红色箭头标注的是莫来石与赤铁矿的过渡界面,赤铁矿与莫来石紧密结合,元素之间形成渗透,形成Al、Fe、O的混合粘结相,其结果是使陶瓷管的力学强度增大。但也存在独立界面,赤铁矿可以起到增加其陶瓷管韧性的作用。

注 :图7 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室测试

单偏光 10×20

5结论

(1) 实验原料锰渣的主要矿物成分为粘土矿物、石英、 石膏、黄铁矿、锐钛矿。其中粘土矿物含量为51.1%。铝质岩的主要矿物成分为粘土矿物、锐钛矿、勃姆石、一水硬铝石。其中粘土矿物含量为58.8%。实验的配方为25.57% 的铝质岩,19.35% 的锰渣,55.08% 的高岭土以及5% 的石英。

(2) 增加铁粉含量能提高陶瓷管的抗压强度,铁粉增加量依次为0%、12%、14%、16%,陶瓷管的抗压强度则为39.42、45.31、54.83、55.72(MPa)。 当含量达 到14% 后,对陶瓷管抗压强度的影响趋于稳定。酸腐蚀率较低,耐酸速率为0.00067、0.00063、0.00065、0.00061 (g/cm2·h),具有良好的耐酸腐蚀性能。