煤礦綜采設備腐蝕機理及防腐蝕措施

仵寧，郭強強

（河南大有能源新安煤礦，河南 三門峽 472300）

煤礦資源是世界上一種非常重要的能量礦產資源，也是消費量比最大的資源，能夠廣泛地應用于日常生活的多個領域，具有相當重要的戰略地位。當前，我國的礦產資源開采的機械化程度不斷提高，隨之面臨的便是開采設備頻頻失效的問題。設備腐蝕帶來的失效問題，對我國礦產資源開采帶來了巨大的阻礙，我國開采礦產主要是在地下完成，開采環境往往伴隨著潮濕和陰暗，這對設備的傷害是非常大的。礦井水的成分復雜，也給設備腐蝕推波助瀾。設備的腐蝕，帶來的不僅是開采速率的降低，更可能帶來生產的危險。因此，研究礦井下綜采設備的腐蝕原因以及研究出可以防設備快速腐蝕的相對措施，也是非常迫要的，具有重要意義。

1 煤礦綜采設備特征分析

煤礦綜采設備與普通資源開采設備有所不同，有很多鮮明的獨有的特征。首先，購置成本高。煤礦綜采設備的購置需要很多的資金支持，機械化程度不斷提高的同時，設備的技術也在不斷改進，綜采設備也隨著現代化的腳步一代代升級。現在市面上的綜采設備大多有著復雜的結構、先進的性能和開采技術。這樣就造成了綜采設備的設計以及制作成本的提高，在購置時花費較大。其次，設備時效損失巨大。除了購置成本之外，一旦煤礦綜采設備失效，帶來的經濟損失是相當巨大的。綜采設備的開采速率高，每天產量大，一旦設備出現失效問題，對企業的損失可能是災難級的。耗費資源多。綜采設備的開采速率高，要保證它的性能，就要不斷投入很多的資金。同時，設備的裝機功率也很大，需要消耗很多的資源。

2 煤礦綜采設備腐蝕原理分析

2.1 粉塵腐蝕分析

在開采煤礦的時候，開采工作面環境中會有很多

圖1 煤礦綜采設備銹蝕表面

的顆狀浮沉物漂浮在空中，這些物質大多是開采過程中產生的煤粉，也有少部分是巖石粉末雜質。由于空氣中同時還有水蒸氣的成分存在，所以兩者混合在一起會依附在綜采設備上，容易造成設備腐蝕和失效。圖1 為綜采設備上依附的銹蝕表面。

2.2 煤礦綜采設備在不同酸堿度礦井水中的腐蝕原理分析

我國煤礦礦井的水質和地區有關，西南和南部的煤礦大多含有硫的成分，因此，礦井水也基本是呈酸性；但在我國的大多數北方礦井中，礦井水是呈現中性或者弱堿性的，只有極少數礦井會呈現酸性。通常來說，煤礦綜采設備的材料在弱酸環境下腐蝕表現的是均勻腐蝕。氫去極化腐蝕受到綜采設備表面的狀態，礦井水pH 值以及開采溫度等多方面因素的影響。

我國大部分煤礦井中的礦井水還是弱堿性的，在這樣的環境下，綜采設備的腐蝕則是氧去極化腐蝕。與酸性環境對比，在這樣的環境下的腐蝕，如果設備的綜合面沒有鈍化，腐蝕的速率相對而言是慢很多的，腐蝕速率較小。

2.3 煤礦綜采設備在高礦化礦井水中的腐蝕原理分析

高礦化礦井水指的是在礦井水中溶解了很多的固體，整體溶解量在1000mg/L 以上的礦井水就稱為高礦化礦井水。我國礦井水的礦化程度是相當高的，基本都是在1000 ～3000mg/L 徘徊，也有一些超標的，例如，山東某礦井的礦化程度分析結果居然高達4800mg/L。因此，我國礦產開采中大多都面臨著高礦化礦井水腐蝕的問題。

這樣高礦化的礦井水中的鹽分主要來自鈣離子，鎂離子、鈉離子、鉀離子、硫酸根離子、碳酸氫根離子以及氯離子。在綜采設備表面，這些離子可以結合形成硫酸鈣和硫酸鎂等固體垢黏附在上面，從而形成緊密的水垢。圖2 是山東某礦井高礦化礦井水浸泡后涂層的SEM 照片，從圖中可以清晰地看出水垢的形成。

圖2 高礦化礦井水浸泡后圖層的SEM 照片

這樣的水垢在綜采設備表面的依附，形成了這部分材料下的相對閉塞區。與此同時，在中性或者弱堿性的礦井水環境下，這個相對閉塞區也在不斷地發生著氧去極化反應，因此，就造成了設備基體電解質溶液的氧含量不斷下降，形成了氧濃度差，這樣就加速了垢下區域材料的腐蝕速度。而腐蝕產物活性較低，電位與基體電位又可以形成電偶腐蝕，使得腐蝕區域不斷擴大，慢慢延展開來。而礦井水中的硫酸根離子，可以和鐵離子生成硫酸鐵，但在過氧環境下又可以發生氧化還原反應，再和水化作用混合，就可以形成能夠腐蝕設備鋼鐵的硫酸成分，這一系列的循環腐蝕過程大大加速了設備的腐蝕。

2.4 綜采設備磨損腐蝕原理分析

綜采設備工作時的功率是相當大的，而其中的部件在運作過程中就可能會因為相對運動而形成摩擦，例如，其中的液壓支架銷軸等結構。本身表面就因為其他因素發生了腐蝕，但是，因為腐蝕產物隔絕了內部材料，進入相對速率較慢的腐蝕階段。但通過摩擦，讓內部材料暴露出來，形成新的表面，使得腐蝕程度更大，速率也因此變快。磨損腐蝕兩個環節相輔相成，比起簡單的腐蝕速率，也是快了不少的。

2.5 綜采設備的微生物成分腐蝕原理分析

綜采設備的微生物腐蝕，主要是SRB 引起的。在SRB 的作用下，硫酸根的還原也可以看作是鋼鐵材料腐蝕的陰極反應。SRB 相對而言是厭氧的，但在煤礦綜采設備中，環境并不是嚴格無氧的，因此，在各地這方面的資料報道中，這種情況造成的腐蝕并不多見。但在國內對這方面的研究中，也有人從安徽煤礦礦井中分離出了SRB，這說明，煤礦綜采設備的腐蝕中還是存在微生物腐蝕的可能性的。

3 煤礦綜采設備的防腐蝕措施

材料腐蝕的程度主要取決于綜采環境的腐蝕性能以及設備防腐蝕性能。因此，在考慮煤礦綜采設備的防腐蝕措施的時候，也應該考慮從這兩個方面入手解決問題。

首先，對于綜采環境的腐蝕限制。目前，已經廣泛投入實際使用的技術有沉淀技術、混凝沉淀技術、混凝沉淀過濾技術等。如果礦井水中含有較多的懸浮物，可以考慮根據懸浮物的特性，考慮使用水凈化處理的混凝和沉淀等方法去除礦井水中的懸浮物，或者降低礦井水的礦度，減少形成垢的可能性。在遇到酸性礦井水的時候，可以考慮使用中和的方法來降低礦井水的pH 值。而對于類似SRB 的微生物腐蝕，主要是用微生物方法去處理。除了上面提到的之外，目前，在我國煤礦開采環境中運用最多和最廣泛的，也就是電滲透和反滲透的礦井水處理方法。另一方面，則是通過材料學的研究，來開發耐腐蝕程度更高的材料和涂層。

對于煤礦設備的腐蝕，主要是根據具體工況選擇強度更高的材料或者是對原有的材料原件的表面進行涂層防腐蝕保護。目前，常用的設備表面防腐蝕保護措施有熱噴涂技術、電鍍鋅技術和激光熔覆技術等。

如果想進一步提高抗腐蝕性能，還可以在元件上鍍上一些防腐蝕材料。而對于在設備運作過程中可能因為磨損而造成腐蝕的元件，例如，銷軸和鏈條等，則可以采取表面涂層保護的方法進行防腐蝕處理，例如，在元件表面使用熱浸鋅技術，或是UPQ 鹽浴混合處理。

熱浸鋅技術對于很多需要換零件的設備是一種福音。山東某礦的水質呈現弱堿性，而且礦井水的礦化度也相對較高，原本使用的是普通的鋼銷軸，一個工作面后就腐蝕與銷孔結合，只能進行切割處理，而使用熱浸鋅技術就完美地解決了這個問題。

UPQ 鹽浴混合處理方法，則是現在常用的一種金屬表面強化的技術，可以使金屬表面的抗磨損性能和抗腐蝕性能都得到一定的提升。

除此之外，涂料保護也是最常用的防腐蝕技術之一。如果采用這種技術，富鋅涂料是一個好的選擇。

4 結語

煤礦設備零件的腐蝕，可能會導致整個設備的損害失效，帶來較大的經濟損失。無論采用何種技術，還是要基于礦井的具體環境分析處理，選擇適宜的防腐蝕措施。