立井井筒玻璃鋼梯子間的設(shè)計(jì)改造與實(shí)踐

楊俊山

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊830091）

·地質(zhì)與礦業(yè)工程·

立井井筒玻璃鋼梯子間的設(shè)計(jì)改造與實(shí)踐

楊俊山*

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊830091）

部分礦井井筒淋水較大或有腐蝕性氣體，使用傳統(tǒng)的金屬型材制作梯子間存在著很快被腐蝕且難以維護(hù)的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行解決方法調(diào)研，設(shè)計(jì)采用經(jīng)濟(jì)適用的玻璃鋼材料制作梯子間并在礦山成功實(shí)踐，消除了安全隱患，增加了使用壽命，取得了較好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

梯子間；防腐；新材料

1 概述

梯子間是地下礦山立井井筒必不可少的安全通道。長(zhǎng)期以來(lái)一直使用金屬型材為制作材料，但對(duì)于部分井筒淋水較大或有腐蝕性氣體的礦井，使用傳統(tǒng)的金屬材料存在著梯子間很快被腐蝕且難以維護(hù)的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)常用的辦法就是刷防銹漆，但實(shí)際操作很難且遺漏較多，這就埋下了很大的安全隱患，一旦井下發(fā)生事故需要從此安全出口逃生時(shí)、若因梯子間銹蝕嚴(yán)重發(fā)生毀壞，將使事故擴(kuò)大產(chǎn)生次生災(zāi)難。為此現(xiàn)場(chǎng)多次提出希望能解決此問(wèn)題。帶著此問(wèn)題，我們進(jìn)行了廣泛地調(diào)研，最終設(shè)計(jì)采用新材料拉擠型玻璃鋼制作梯子間，徹底解決了該類礦井井筒梯子間防腐問(wèn)題，取得了較好的安全、經(jīng)濟(jì)效益。

2 國(guó)內(nèi)金屬材料防腐概況

針對(duì)金屬材料的腐蝕問(wèn)題，國(guó)內(nèi)目前常用的防腐方法有：

2.1 改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)

例如制造各種耐腐蝕的合金，如在普通鋼鐵中加入鉻、鎳等制成不銹鋼。

2.2 保護(hù)層法

在金屬表面覆蓋保護(hù)層，使金屬制品與周圍腐蝕介質(zhì)隔離，從而防止腐蝕。如：

（1）在鋼鐵制件表面涂上機(jī)油、凡士林、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等耐腐蝕的非金屬材料；

（2）用電鍍、熱鍍、噴鍍等方法，在鋼鐵表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬，如鋅、錫、鉻、鎳等。這些金屬常因氧化而形成一層致密的氧化物薄膜，從而阻止水和空氣等對(duì)鋼鐵的腐蝕；

（3）用化學(xué)方法使鋼鐵表面生成一層細(xì)密穩(wěn)定的氧化膜。如在機(jī)器零件、槍炮等鋼鐵制件表面形成一層細(xì)密的黑色四氧化三鐵薄膜等。

2.3 電化學(xué)保護(hù)法

利用原電池原理進(jìn)行金屬的保護(hù)，設(shè)法消除引起電化腐蝕的原電池反應(yīng)。電化學(xué)保護(hù)法分為陽(yáng)極保護(hù)和陰極保護(hù)2大類。應(yīng)用較多的是陰極保護(hù)法。

2.4 防腐涂料

防腐涂料是金屬設(shè)備防腐蝕最有效、最常用的方法之一。防腐原理是在金屬表面涂敷防腐蝕涂層，以隔絕腐蝕介質(zhì)與金屬基體。防腐涂料和其它涂料一樣，其配方組成主要包括基料(樹脂)、顏填料和溶劑。基料樹脂是成膜物質(zhì)，是涂料中的主要成分，它的分子結(jié)構(gòu)決定著涂料的主要性能；顏填料是用來(lái)輔助隔離腐蝕因素的，根據(jù)作用機(jī)理又可分為防銹顏料和片狀填料；溶劑分為有機(jī)溶劑或水，用來(lái)溶解基料樹脂，便于成膜。

防腐涂料的應(yīng)用涉及現(xiàn)代化各個(gè)領(lǐng)域，大型的工礦企業(yè)：化工、石油化工、鋼鐵及大型礦山冶煉的管道、貯槽、設(shè)備等；重要的能源工業(yè)：天然氣、油管、油罐、輸變電、核電設(shè)備及煤礦礦井等；現(xiàn)代化的交通運(yùn)輸：橋梁、船舶、集裝箱、火車和汽車等；新興的海洋工程，海上設(shè)施、海岸及海灣構(gòu)造物及海上石油鉆井平臺(tái)等。以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)的涂料稱為環(huán)氧涂料，每年世界上約有40%以上的環(huán)氧樹脂用于制造環(huán)氧涂料，其中大部分用于防腐領(lǐng)域。環(huán)氧防腐涂料是目前世界上用得最為廣泛、最為重要的防腐涂料之一。

由于防腐涂料具有性能優(yōu)異、制造方便、價(jià)格低廉等一些其它材料所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在選擇防腐措施時(shí)成為優(yōu)先考慮的對(duì)象。

2.5 鋁合金型材

利用高強(qiáng)度硬鋁合金材料，代替使用普碳鋼材料，優(yōu)點(diǎn)突出，效果十分明顯。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

強(qiáng)度高：鋁型材的機(jī)械性能優(yōu)于普通碳素鋼；

重量輕：與鋼材相比，鋁型材重量?jī)H是鋼材的1/3，比鋼材重量減少了64.6%；

耐腐蝕：所使用的鋁型材事先可進(jìn)行過(guò)陽(yáng)極化處理，耐酸堿，抗氧化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通碳素鋼，在礦井淋水量大、腐蝕性強(qiáng)的條件下使用，壽命是鋼材的3倍以上。

2.6 玻璃鋼

玻璃鋼主要的化學(xué)性能就是它有突出的耐腐蝕性，幾乎不被水、油等介質(zhì)所侵蝕，可以代替不銹鋼在化工廠中用來(lái)制造儲(chǔ)罐、管道、泵、閥等。它不僅使用壽命長(zhǎng)，而且不需采取防腐、防銹等防護(hù)措施，減少了維護(hù)費(fèi)用。玻璃鋼在耐腐蝕方面的應(yīng)用很廣泛，國(guó)外一些主要工業(yè)國(guó)家，玻璃鋼用作耐腐制品方面都在13%以上，其用量有逐年增高趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)用量也不少，以前大都用作金屬設(shè)備的襯里，以保護(hù)金屬。近幾年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越普遍，使用范圍也越來(lái)越廣泛，顯示了防腐投資少、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)約大量不銹鋼材等方面的優(yōu)越性，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。玻璃鋼不僅對(duì)多種低濃度的酸、堿、鹽介質(zhì)及溶劑有較好的穩(wěn)定性，而且有抗大氣、海水和微生物作用的良好性能。內(nèi)地很多礦井已有成功使用玻璃鋼梯子間的實(shí)例。

根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果，綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析，最終得出玻璃鋼材料是解決礦山梯子間金屬材料容易腐蝕、使用壽命短、維護(hù)復(fù)雜問(wèn)題的較佳選擇。它具有耐腐、抗靜電、阻燃、安裝周期短、免維護(hù)等很多優(yōu)點(diǎn)，使用壽命在30年以上，特別適合潮濕、酸性等環(huán)境中使用。

3 玻璃鋼梯子間的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

玻璃鋼梯子間材料傳統(tǒng)的工藝采用手糊模壓工藝，但手糊工藝存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品性能重復(fù)性差，工藝復(fù)雜，一些受承載力的構(gòu)件（梯子、平臺(tái)板、柵欄等）玻璃鋼強(qiáng)度不是特別理想。目前已有生產(chǎn)廠家采用拉擠工藝方法，由拉擠設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)，拉擠成型的玻璃鋼機(jī)械性能為手糊工藝的3倍以上，且產(chǎn)品美觀，表面光滑，徹底杜絕了由鋼材處理不當(dāng)?shù)仍虺霈F(xiàn)的鋼材和玻璃鋼脫層的問(wèn)題，產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。拉擠型玻璃鋼復(fù)合材料利用玻璃鋼自身強(qiáng)度作受力構(gòu)件，同時(shí)起到防腐作用，因采用拉擠設(shè)備連續(xù)化生產(chǎn)，使得產(chǎn)品性能較穩(wěn)定，且質(zhì)量均一，其理化試驗(yàn)性能見(jiàn)表1。

表1 玻璃纖維增強(qiáng)塑料的理化試驗(yàn)性能

玻璃鋼梯子間主要包括以下構(gòu)件：梯子、平臺(tái)板、柵欄、大小梁、托架等部件，可以做到整體防腐。梯子、平臺(tái)板、柵欄、大小梁均為拉擠工藝成型，大、小梁托架、托掛鉤還為傳統(tǒng)手糊模壓工藝。其中大梁采用外套玻璃鋼型材、內(nèi)襯鋼芯結(jié)構(gòu)，兩者之間采用真空吸附工藝保證環(huán)氧樹脂充滿并且連接牢固。大、小梁、梯子、平臺(tái)板及柵欄各構(gòu)件所用部件均采用優(yōu)質(zhì)乙烯基脂樹脂，增強(qiáng)材料采用無(wú)堿玻纖紗、布、氈經(jīng)擠拉，中溫固化，一次擠壓成型。

梯子、平臺(tái)板、大小梁均為U型卡連接，采用熱鍍鋅防腐，柵欄采用掛鉤連接，掛鉤采用玻璃鋼材料防腐，結(jié)構(gòu)為扁鋼骨架外覆3mm玻璃鋼材料，因此梯子間所有構(gòu)件及連接件均可做到防腐。

造成慢性病患兒與父母之間消極關(guān)系的主要有三方面原因：一是患兒父母比健康兒童的父母面臨更多的育兒責(zé)任和壓力，影響了其育兒能力，有些父母甚至?xí)驗(yàn)樵趹?yīng)對(duì)孩子疾病時(shí)感到無(wú)能為力而退出對(duì)孩子的照護(hù)[24]；二是慢性病患兒比健康兒童更易產(chǎn)生心理和行為問(wèn)題，讓父母感到難以應(yīng)對(duì)，一些父母甚至?xí)蚝⒆記](méi)有達(dá)到自己的期望而感到失望和憤怒[16]；三是疾病本身的一些因素會(huì)影響親子溝通，例如聽(tīng)力障礙、未修補(bǔ)的唇腭裂等疾病會(huì)損害患兒的語(yǔ)言能力，癌癥等疾病需要長(zhǎng)期住院治療，這些因素會(huì)阻礙父母與患兒的溝通交流[16]。

4 鋼材與拉擠玻璃鋼梯子間材料經(jīng)濟(jì)及技術(shù)性能分析

4.1 防腐方面比較

鋼材主要依靠除銹和涂刷防銹油漆等進(jìn)行防腐。除銹工藝先以酸洗、噴砂除銹后鈍化處理，后涂刷防銹油漆等進(jìn)行防腐。然而這種除銹方式在現(xiàn)場(chǎng)均無(wú)法實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)多以手工除銹為主；而拉擠型玻璃鋼產(chǎn)品是以樹脂和無(wú)堿玻璃纖維紗為原料，采用設(shè)備一次拉擠成型，可以生產(chǎn)出梯子間大、小梁、梯子、平臺(tái)、格網(wǎng)等井筒梯子構(gòu)件，沒(méi)有鋼材作骨架，為全玻璃鋼材料，徹底杜絕了采用鋼材易腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，真正做到永不生銹。其防腐期限比較見(jiàn)表2。

表2 有效防腐期限比較

4.2 強(qiáng)度方面比較分析

在拉擠工藝中，玻纖紗為連續(xù)而且充分的平直，是發(fā)揮玻纖紗強(qiáng)度的理想形式。同時(shí)，拉擠工藝中紗含量較高，可以達(dá)到60%～80%。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)的力學(xué)指標(biāo)，試驗(yàn)直徑16mm拉擠型玻璃鋼圓棒抗拉強(qiáng)度是同樣直徑圓鋼的1～2倍；直徑16mm拉擠型玻璃鋼圓棒抗剪強(qiáng)度達(dá)到352.6MPa。有些指標(biāo)已超過(guò)或者達(dá)到鋼材的力學(xué)性能，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 拉擠成型的玻璃鋼主要技術(shù)參數(shù)

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面比較

2012年我們?yōu)槟车V（井筒淋水大且有硫化氫氣體）設(shè)計(jì)改造了玻璃鋼材料井筒梯子間，該礦梯子間長(zhǎng)約350m，4m層間距，設(shè)計(jì)礦井服務(wù)年限40年礦，由于初次投資比金屬型材略高，業(yè)主有疑問(wèn)，為此我們對(duì)拉擠型玻璃鋼梯子間與鋼制梯子間做了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較，見(jiàn)表4。

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比表

由表4可以看出，雖然玻璃鋼復(fù)合材料梯子間初期直接投資略高于金屬型材梯子間，但平均年投資遠(yuǎn)小于金屬型材。而且拉擠型玻璃鋼復(fù)合材料梯子間和鋼制梯子間相比，玻璃鋼復(fù)合材料密度為2.0g/cm3，重量較輕，使產(chǎn)品的質(zhì)量更穩(wěn)定，其總重量?jī)H為鋼制的50%左右。

拉擠玻璃鋼由于玻璃鋼產(chǎn)品比重為鋼梯子間重量輕，安裝方便，可以縮短安裝工期的50%，可以早投產(chǎn)，早產(chǎn)生效益。

由于玻璃鋼產(chǎn)品為工廠定做，安裝前運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，而鋼材產(chǎn)品必須由施工單位現(xiàn)場(chǎng)加工，必須提前備料提前加工才能滿足安裝需要，對(duì)施工單位的組織能力要求較高，特別是工期較緊的豎井梯子間安裝，玻璃鋼產(chǎn)品更有利于控制施工工期。

綜合上述，采用拉擠型玻璃鋼梯子間從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。如該礦山服務(wù)年限較長(zhǎng)有40年，則年投資只有鋼制的12%左右，而且一勞永逸地解決了井筒的防腐及維護(hù)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該礦立井井筒梯子間的成功改造實(shí)踐可以看出，玻璃鋼復(fù)合材料梯子間的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的井筒梯子間制作方式，在材料和結(jié)構(gòu)上有了大的突破，使井筒裝備材料使用壽命大大增加，且具有機(jī)械強(qiáng)度滿足要求、免維護(hù)、安裝方便、周期短的優(yōu)點(diǎn)，減少了井筒梯子間更換次數(shù)及維護(hù)的成本以及由此造成的停產(chǎn)損失。特別對(duì)井筒淋水較大或有腐蝕性氣體的礦井，使用拉擠型復(fù)合材料徹底消除了安全隱患，一勞永逸地解決了梯子間材料的防腐問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)技術(shù)上較先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)、安全效益較明顯的首選梯子間材料。

TD262.5

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1004-5716(2015)04-0100-04

2014-05-08

2014-05-23

楊俊山（1962-），男（漢族），甘肅民勤人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事礦山機(jī)械專業(yè)及礦山安全工作。