煤矿综采设备腐蚀机理及防腐蚀措施

2020-05-12仵宁郭强强

中国设备工程 2020年9期

仵宁，郭强强

（河南大有能源新安煤矿，河南三门峡 472300）

煤矿资源是世界上一种非常重要的能量矿产资源，也是消费量比最大的资源，能够广泛地应用于日常生活的多个领域，具有相当重要的战略地位。当前，我国的矿产资源开采的机械化程度不断提高，随之面临的便是开采设备频频失效的问题。设备腐蚀带来的失效问题，对我国矿产资源开采带来了巨大的阻碍，我国开采矿产主要是在地下完成，开采环境往往伴随着潮湿和阴暗，这对设备的伤害是非常大的。矿井水的成分复杂，也给设备腐蚀推波助澜。设备的腐蚀，带来的不仅是开采速率的降低，更可能带来生产的危险。因此，研究矿井下综采设备的腐蚀原因以及研究出可以防设备快速腐蚀的相对措施，也是非常迫要的，具有重要意义。

1 煤矿综采设备特征分析

煤矿综采设备与普通资源开采设备有所不同，有很多鲜明的独有的特征。首先，购置成本高。煤矿综采设备的购置需要很多的资金支持，机械化程度不断提高的同时，设备的技术也在不断改进，综采设备也随着现代化的脚步一代代升级。现在市面上的综采设备大多有着复杂的结构、先进的性能和开采技术。这样就造成了综采设备的设计以及制作成本的提高，在购置时花费较大。其次，设备时效损失巨大。除了购置成本之外，一旦煤矿综采设备失效，带来的经济损失是相当巨大的。综采设备的开采速率高，每天产量大，一旦设备出现失效问题，对企业的损失可能是灾难级的。耗费资源多。综采设备的开采速率高，要保证它的性能，就要不断投入很多的资金。同时，设备的装机功率也很大，需要消耗很多的资源。

2 煤矿综采设备腐蚀原理分析

2.1 粉尘腐蚀分析

在开采煤矿的时候，开采工作面环境中会有很多

图1 煤矿综采设备锈蚀表面

的颗状浮沉物漂浮在空中，这些物质大多是开采过程中产生的煤粉，也有少部分是岩石粉末杂质。由于空气中同时还有水蒸气的成分存在，所以两者混合在一起会依附在综采设备上，容易造成设备腐蚀和失效。图1 为综采设备上依附的锈蚀表面。

2.2 煤矿综采设备在不同酸碱度矿井水中的腐蚀原理分析

我国煤矿矿井的水质和地区有关，西南和南部的煤矿大多含有硫的成分，因此，矿井水也基本是呈酸性；但在我国的大多数北方矿井中，矿井水是呈现中性或者弱碱性的，只有极少数矿井会呈现酸性。通常来说，煤矿综采设备的材料在弱酸环境下腐蚀表现的是均匀腐蚀。氢去极化腐蚀受到综采设备表面的状态，矿井水pH 值以及开采温度等多方面因素的影响。

我国大部分煤矿井中的矿井水还是弱碱性的，在这样的环境下，综采设备的腐蚀则是氧去极化腐蚀。与酸性环境对比，在这样的环境下的腐蚀，如果设备的综合面没有钝化，腐蚀的速率相对而言是慢很多的，腐蚀速率较小。

2.3 煤矿综采设备在高矿化矿井水中的腐蚀原理分析

高矿化矿井水指的是在矿井水中溶解了很多的固体，整体溶解量在1000mg/L 以上的矿井水就称为高矿化矿井水。我国矿井水的矿化程度是相当高的，基本都是在1000 ～3000mg/L 徘徊，也有一些超标的，例如，山东某矿井的矿化程度分析结果居然高达4800mg/L。因此，我国矿产开采中大多都面临着高矿化矿井水腐蚀的问题。

这样高矿化的矿井水中的盐分主要来自钙离子，镁离子、钠离子、钾离子、硫酸根离子、碳酸氢根离子以及氯离子。在综采设备表面，这些离子可以结合形成硫酸钙和硫酸镁等固体垢黏附在上面，从而形成紧密的水垢。图2 是山东某矿井高矿化矿井水浸泡后涂层的SEM 照片，从图中可以清晰地看出水垢的形成。

图2 高矿化矿井水浸泡后图层的SEM 照片

这样的水垢在综采设备表面的依附，形成了这部分材料下的相对闭塞区。与此同时，在中性或者弱碱性的矿井水环境下，这个相对闭塞区也在不断地发生着氧去极化反应，因此，就造成了设备基体电解质溶液的氧含量不断下降，形成了氧浓度差，这样就加速了垢下区域材料的腐蚀速度。而腐蚀产物活性较低，电位与基体电位又可以形成电偶腐蚀，使得腐蚀区域不断扩大，慢慢延展开来。而矿井水中的硫酸根离子，可以和铁离子生成硫酸铁，但在过氧环境下又可以发生氧化还原反应，再和水化作用混合，就可以形成能够腐蚀设备钢铁的硫酸成分，这一系列的循环腐蚀过程大大加速了设备的腐蚀。

2.4 综采设备磨损腐蚀原理分析

综采设备工作时的功率是相当大的，而其中的部件在运作过程中就可能会因为相对运动而形成摩擦，例如，其中的液压支架销轴等结构。本身表面就因为其他因素发生了腐蚀，但是，因为腐蚀产物隔绝了内部材料，进入相对速率较慢的腐蚀阶段。但通过摩擦，让内部材料暴露出来，形成新的表面，使得腐蚀程度更大，速率也因此变快。磨损腐蚀两个环节相辅相成，比起简单的腐蚀速率，也是快了不少的。

2.5 综采设备的微生物成分腐蚀原理分析

综采设备的微生物腐蚀，主要是SRB 引起的。在SRB 的作用下，硫酸根的还原也可以看作是钢铁材料腐蚀的阴极反应。SRB 相对而言是厌氧的，但在煤矿综采设备中，环境并不是严格无氧的，因此，在各地这方面的资料报道中，这种情况造成的腐蚀并不多见。但在国内对这方面的研究中，也有人从安徽煤矿矿井中分离出了SRB，这说明，煤矿综采设备的腐蚀中还是存在微生物腐蚀的可能性的。

3 煤矿综采设备的防腐蚀措施

材料腐蚀的程度主要取决于综采环境的腐蚀性能以及设备防腐蚀性能。因此，在考虑煤矿综采设备的防腐蚀措施的时候，也应该考虑从这两个方面入手解决问题。

首先，对于综采环境的腐蚀限制。目前，已经广泛投入实际使用的技术有沉淀技术、混凝沉淀技术、混凝沉淀过滤技术等。如果矿井水中含有较多的悬浮物，可以考虑根据悬浮物的特性，考虑使用水净化处理的混凝和沉淀等方法去除矿井水中的悬浮物，或者降低矿井水的矿度，减少形成垢的可能性。在遇到酸性矿井水的时候，可以考虑使用中和的方法来降低矿井水的pH 值。而对于类似SRB 的微生物腐蚀，主要是用微生物方法去处理。除了上面提到的之外，目前，在我国煤矿开采环境中运用最多和最广泛的，也就是电渗透和反渗透的矿井水处理方法。另一方面，则是通过材料学的研究，来开发耐腐蚀程度更高的材料和涂层。

对于煤矿设备的腐蚀，主要是根据具体工况选择强度更高的材料或者是对原有的材料原件的表面进行涂层防腐蚀保护。目前，常用的设备表面防腐蚀保护措施有热喷涂技术、电镀锌技术和激光熔覆技术等。

如果想进一步提高抗腐蚀性能，还可以在元件上镀上一些防腐蚀材料。而对于在设备运作过程中可能因为磨损而造成腐蚀的元件，例如，销轴和链条等，则可以采取表面涂层保护的方法进行防腐蚀处理，例如，在元件表面使用热浸锌技术，或是UPQ 盐浴混合处理。

热浸锌技术对于很多需要换零件的设备是一种福音。山东某矿的水质呈现弱碱性，而且矿井水的矿化度也相对较高，原本使用的是普通的钢销轴，一个工作面后就腐蚀与销孔结合，只能进行切割处理，而使用热浸锌技术就完美地解决了这个问题。

UPQ 盐浴混合处理方法，则是现在常用的一种金属表面强化的技术，可以使金属表面的抗磨损性能和抗腐蚀性能都得到一定的提升。

除此之外，涂料保护也是最常用的防腐蚀技术之一。如果采用这种技术，富锌涂料是一个好的选择。