立井井筒玻璃鋼梯子間的設計改造與實踐

楊俊山

（新疆維吾爾自治區煤炭科學研究所，新疆烏魯木齊830091）

·地質與礦業工程·

立井井筒玻璃鋼梯子間的設計改造與實踐

楊俊山*

（新疆維吾爾自治區煤炭科學研究所，新疆烏魯木齊830091）

部分礦井井筒淋水較大或有腐蝕性氣體，使用傳統的金屬型材制作梯子間存在著很快被腐蝕且難以維護的問題。針對此問題進行解決方法調研，設計采用經濟適用的玻璃鋼材料制作梯子間并在礦山成功實踐，消除了安全隱患，增加了使用壽命，取得了較好的安全和經濟效益。

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。長期以來一直使用金屬型材為制作材料，但對于部分井筒淋水較大或有腐蝕性氣體的礦井，使用傳統的金屬材料存在著梯子間很快被腐蝕且難以維護的問題，現場常用的辦法就是刷防銹漆，但實際操作很難且遺漏較多，這就埋下了很大的安全隱患，一旦井下發生事故需要從此安全出口逃生時、若因梯子間銹蝕嚴重發生毀壞，將使事故擴大產生次生災難。為此現場多次提出希望能解決此問題。帶著此問題，我們進行了廣泛地調研，最終設計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題，取得了較好的安全、經濟效益。

2 國內金屬材料防腐概況

針對金屬材料的腐蝕問題，國內目前常用的防腐方法有：

2.1 改變金屬的內部組織結構

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 保護層法

在金屬表面覆蓋保護層，使金屬制品與周圍腐蝕介質隔離，從而防止腐蝕。如：

（1）在鋼鐵制件表面涂上機油、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鋼鐵的腐蝕；

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

2.3 電化學保護法

利用原電池原理進行金屬的保護，設法消除引起電化腐蝕的原電池反應。電化學保護法分為陽極保護和陰極保護2大類。應用較多的是陰極保護法。

2.4 防腐涂料

防腐涂料是金屬設備防腐蝕最有效、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，是涂料中的主要成分，它的分子結構決定著涂料的主要性能；顏填料是用來輔助隔離腐蝕因素的，根據作用機理又可分為防銹顏料和片狀填料；溶劑分為有機溶劑或水，用來溶解基料樹脂，便于成膜。

防腐涂料的應用涉及現代化各個領域，大型的工礦企業：化工、石油化工、鋼鐵及大型礦山冶煉的管道、貯槽、設備等；重要的能源工業：天然氣、油管、油罐、輸變電、核電設備及煤礦礦井等；現代化的交通運輸：橋梁、船舶、集裝箱、火車和汽車等；新興的海洋工程，海上設施、海岸及海灣構造物及海上石油鉆井平臺等。以環氧樹脂為主要成膜物質的涂料稱為環氧涂料，每年世界上約有40%以上的環氧樹脂用于制造環氧涂料，其中大部分用于防腐領域。環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異、制造方便、價格低廉等一些其它材料所無法比擬的優點，因此在選擇防腐措施時成為優先考慮的對象。

2.5 鋁合金型材

利用高強度硬鋁合金材料，代替使用普碳鋼材料，優點突出，效果十分明顯。主要有以下優點：

強度高：鋁型材的機械性能優于普通碳素鋼；

重量輕：與鋼材相比，鋁型材重量僅是鋼材的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行過陽極化處理，耐酸堿，抗氧化能力遠遠大于普通碳素鋼，在礦井淋水量大、腐蝕性強的條件下使用，壽命是鋼材的3倍以上。

2.6 玻璃鋼

玻璃鋼主要的化學性能就是它有突出的耐腐蝕性，幾乎不被水、油等介質所侵蝕，可以代替不銹鋼在化工廠中用來制造儲罐、管道、泵、閥等。它不僅使用壽命長，而且不需采取防腐、防銹等防護措施，減少了維護費用。玻璃鋼在耐腐蝕方面的應用很廣泛，國外一些主要工業國家，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。國內用量也不少，以前大都用作金屬設備的襯里，以保護金屬。近幾年來應用越來越普遍，使用范圍也越來越廣泛，顯示了防腐投資少、使用壽命長、節約大量不銹鋼材等方面的優越性，取得了較好的經濟效果。玻璃鋼不僅對多種低濃度的酸、堿、鹽介質及溶劑有較好的穩定性，而且有抗大氣、海水和微生物作用的良好性能。內地很多礦井已有成功使用玻璃鋼梯子間的實例。

根據以上調研結果，綜合經濟技術效益分析，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、維護復雜問題的較佳選擇。它具有耐腐、抗靜電、阻燃、安裝周期短、免維護等很多優點，使用壽命在30年以上，特別適合潮濕、酸性等環境中使用。

3 玻璃鋼梯子間的結構組成及特點

玻璃鋼梯子間材料傳統的工藝采用手糊模壓工藝，但手糊工藝存在勞動強度大，產品性能重復性差，工藝復雜，一些受承載力的構件（梯子、平臺板、柵欄等）玻璃鋼強度不是特別理想。目前已有生產廠家采用拉擠工藝方法，由拉擠設備自動化生產，拉擠成型的玻璃鋼機械性能為手糊工藝的3倍以上，且產品美觀，表面光滑，徹底杜絕了由鋼材處理不當等原因出現的鋼材和玻璃鋼脫層的問題，產品性能更加穩定，使用壽命更長。拉擠型玻璃鋼復合材料利用玻璃鋼自身強度作受力構件，同時起到防腐作用，因采用拉擠設備連續化生產，使得產品性能較穩定，且質量均一，其理化試驗性能見表1。

表1 玻璃纖維增強塑料的理化試驗性能

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

梯子、平臺板、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，結構為扁鋼骨架外覆3mm玻璃鋼材料，因此梯子間所有構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任和壓力，影響了其育兒能力，有些父母甚至會因為在應對孩子疾病時感到無能為力而退出對孩子的照護[24]；二是慢性病患兒比健康兒童更易產生心理和行為問題，讓父母感到難以應對，一些父母甚至會因孩子沒有達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影響親子溝通，例如聽力障礙、未修補的唇腭裂等疾病會損害患兒的語言能力，癌癥等疾病需要長期住院治療，這些因素會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濟及技術性能分析

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行防腐。然而這種除銹方式在現場均無法實施，現場多以手工除銹為主；而拉擠型玻璃鋼產品是以樹脂和無堿玻璃纖維紗為原料，采用設備一次拉擠成型，可以生產出梯子間大、小梁、梯子、平臺、格網等井筒梯子構件，沒有鋼材作骨架，為全玻璃鋼材料，徹底杜絕了采用鋼材易腐蝕現象的發生，真正做到永不生銹。其防腐期限比較見表2。

表2 有效防腐期限比較

4.2 強度方面比較分析

在拉擠工藝中，玻纖紗為連續而且充分的平直，是發揮玻纖紗強度的理想形式。同時，拉擠工藝中紗含量較高，可以達到60%～80%。根據相關檢測的力學指標，試驗直徑16mm拉擠型玻璃鋼圓棒抗拉強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度達到352.6MPa。有些指標已超過或者達到鋼材的力學性能，其主要技術參數見表3。

表3 拉擠成型的玻璃鋼主要技術參數

4.3 技術經濟方面比較

2012年我們為某礦（井筒淋水大且有硫化氫氣體）設計改造了玻璃鋼材料井筒梯子間，該礦梯子間長約350m，4m層間距，設計礦井服務年限40年礦，由于初次投資比金屬型材略高，業主有疑問，為此我們對拉擠型玻璃鋼梯子間與鋼制梯子間做了經濟技術分析比較，見表4。

表4 技術經濟分析對比表

由表4可以看出，雖然玻璃鋼復合材料梯子間初期直接投資略高于金屬型材梯子間，但平均年投資遠小于金屬型材。而且拉擠型玻璃鋼復合材料梯子間和鋼制梯子間相比，玻璃鋼復合材料密度為2.0g/cm3，重量較輕，使產品的質量更穩定，其總重量僅為鋼制的50%左右。

拉擠玻璃鋼由于玻璃鋼產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，早產生效益。

由于玻璃鋼產品為工廠定做，安裝前運至現場，而鋼材產品必須由施工單位現場加工，必須提前備料提前加工才能滿足安裝需要，對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遠看來，經濟效益明顯。如該礦山服務年限較長有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問題。

5 結束語

通過對該礦立井井筒梯子間的成功改造實踐可以看出，玻璃鋼復合材料梯子間的應用改變了傳統的井筒梯子間制作方式，在材料和結構上有了大的突破，使井筒裝備材料使用壽命大大增加，且具有機械強度滿足要求、免維護、安裝方便、周期短的優點，減少了井筒梯子間更換次數及維護的成本以及由此造成的停產損失。特別對井筒淋水較大或有腐蝕性氣體的礦井，使用拉擠型復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題，是目前國內技術上較先進，經濟、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，高級工程師，現從事礦山機械專業及礦山安全工作。