鹽湖采輸鹵管道結晶機理及防結晶涂層材料研究

隨著鹽湖提鋰產業的規模化發展，輸鹵系統的穩定運行愈發成為行業關注的焦點。管道內壁鹽結晶造成的流通截面縮減問題，在季節性溫差顯著的礦區表現尤為突出。現行物理清洗與化學處理并行的維護方式，難以滿足連續化生產需求，迫使研究者從結晶本質規律出發尋求根本解決途徑。理解多組分鹵水體系下的結晶動力學特征，構建管流環境與結晶行為的關聯模型，是開發主動防護技術的重要理論基礎。

1鹽湖采輸鹵管道結晶機理

鹽湖采輸鹵管道結晶現象是一種涉及物理化學過程、熱力學以及流體力學等多學科的復雜機理。在鹽湖鹵水開采與輸送期間，鹵水作為高濃度含鹽溶液，溶解了大量的氯化鈉、氯化鎂等鹽類物質，這些鹽類物質在特定狀況下會達到過飽和狀態并析出晶體[1]

結晶過程受多種因素影響，其中溫度是關鍵因素之一。當鹵水在管道中輸送時，會隨著溫度發生變化，溫度降低，鹽類的溶解度也會隨之減小。當溶解度低于鹵水中鹽類的濃度時，會出現結晶現象。流速的改變同樣會對結晶產生影響，流速過低的時候，鹵水在管道內停留的時間過長，鹽類便有充足的時間結晶析出；而流速過高，則有可能因為剪切力的作用導致已形成的晶體破碎，不過也可能在管道彎頭、閥門等流速發生變化的區域產生渦流，促進結晶。另外，管道材質以及表面粗糙度對結晶也有著關鍵的影響，粗糙的管道表面可為鹽類晶體提供更多的附著點，加快了結晶的進程，并且鹵水中的雜質離子有可能作為晶核，促使鹽類結晶。

2防結晶涂層材料性能需求分析

2.1 耐腐蝕性

鹽湖鹵水成分繁雜，包含多種高濃度鹽類物質，如氯化鈉、氯化鎂以及硫酸鈣等。這些物質對金屬管道有較強的腐蝕性，防結晶涂層材料要擁有良好的耐腐蝕性，才可抵抗鹵水的侵蝕，保護管道不受損壞。例如，青海鹽湖地區的鹵水輸送管道因鹵水腐蝕，管道的使用壽命被大幅縮短，需要開展維修以及更換工作。

為應對這一問題，研究人員開發了多種高性能防腐蝕涂層材料，環氧樹脂基涂層憑借其相當出色的化學穩定性以及附著力，成為鹽湖鹵水管道防腐可供選擇的材料之一。通過在環氧樹脂里添加氟化物或者硅氧烷改性劑，可提高其耐堿性以及耐氯離子侵蝕的能力。聚脲涂層以及聚氨酯涂層同樣呈現出良好的抗化學腐蝕性能，其快速固化以及優異的柔韌性，使其可適應管道在溫度出現波動狀況下的熱脹冷縮。

2.2 防結晶性

防結晶屬于涂層材料的關鍵功能，要想在管道內壁形成光滑致密的保護膜，防止鹽類晶體附著生長，這就要求涂層材料有較低的表面能以及良好的潤滑性，使鹽類晶體難以在其表面停留結晶。例如，一些新型的納米復合涂層材料，通過添加納米顆粒降低涂層的表面能，使鹽類晶體在涂層表面難以形成穩定的結晶結構，實現防結晶的功效。除納米復合涂層外，超疏水涂層技術也在防結晶領域展現出顯著優勢。這類涂層通過模擬荷葉表面微納結構，在管道內壁構建雙重粗糙度表面，使接觸角超過 150^° ，大幅降低水溶液與管壁的接觸面積，從而減少結晶成核位點。疏水-親水交替涂層則利用表面能差異，形成動態干濕交替區域，促使結晶物隨水流自動脫離表面。

2.3 耐溫性

鹽湖鹵水在進行采輸作業時，其溫度會隨著輸送距離以及環境條件的改變而產生變化，防結晶涂層材料需擁有良好的耐溫性，以便能在不同溫度條件下維持性能穩定。在高溫環境中，涂層材料不能出現軟化、分解；在低溫環境中，涂層材料不應發生脆化、開裂。部分有機硅涂層材料有優異的耐溫性能，可在較寬溫度范圍內保持良好的防結晶效果。

2.4 附著力

涂層材料與管道基體的附著力是保證涂層性能的關鍵要素。良好的附著力可讓涂層穩固地附著于管道內壁，不易脫落，在鹵水的沖刷以及摩擦作用下，仍能與管道基體緊密結合，保證防結晶效果持久。若要提高涂層的附著力，可以運用表面處理技術（如噴砂、酸洗等），增加管道基體的表面粗糙度，提高涂層與基體的機械咬合力。此外，化學活化處理也是增強附著力的有效方法，通過特定化學試劑處理管道表面形成活性基團，促進涂層分子與基體之間產生化學鍵合。例如，對金屬管道進行磷化處理后在表面形成微晶磷酸鹽轉化膜，為后續涂層提供良好的化學結合點。現代涂層配方中，通常添加偶聯劑作為“分子橋梁”連接無機基體與有機涂層，顯著提高界面結合強度。

3涂層材料研發方向探索

3.1 新型高分子材料

新型高分子材料有重量較輕、耐腐蝕性能良好以及易于加工等諸多優點，在防結晶涂層材料領域擁有廣闊的應用前景。如氟塑料有著優異的耐化學腐蝕特性以及較低的表面能，可切實有效地防止鹽類晶體在其表面出現結晶現象，借助改變氟塑料的分子結構以及加工工藝，可提升其防結晶性能以及耐溫性能。另外，一些新型的聚氨酯、環氧樹脂等高分子材料，在經過改性處理之后，同樣可以作為防結晶涂層材料來使用。這些高分子材料可依靠涂覆、噴涂等工藝涂覆于管道內壁，形成一層均勻且致密的保護膜[2]

3.2 納米復合材料

納米復合材料是把納米顆粒均勻分散于基體材料中形成的新型材料。納米顆粒有獨特的物理化學特性（如小尺寸效應、表面效應等），可改善基體材料的性能，在防結晶涂層材料里添加納米顆粒可提升涂層的硬度、耐磨性以及防結晶性能。例如，納米二氧化硅、納米氧化鋁等顆粒可填充涂層的孔隙，增加涂層致密性，降低涂層表面能，有效防止鹽類晶體的附著與生長。納米復合材料可借助溶膠-凝膠法、原位聚合法等方式進行制備，之后涂覆于管道內壁。

3.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有硬度高、耐磨損以及耐腐蝕等優點，成為一種理想的用于防結晶的涂層材料。但是，陶瓷材料存在脆性較大以及加工難度較高等問題，這在一定程度上限制了它在管道內壁涂層方面的應用。可采用陶瓷涂層技術（如等離子噴涂、熱噴涂等)克服這些問題，把陶瓷材料均勻地噴涂于管道內壁，形成一層厚度均勻且結合牢固的陶瓷涂層。

4鹽湖采輸鹵管道防結晶涂層材料開發策略

4.1涂層制備工藝優化

管道基體的表面處理是涂層制備中極為關鍵的環節。做好表面處理可提升涂層與基體之間的附著力，保證涂層質量。表面處理方式有噴砂、酸洗以及磷化處理等，通過噴砂可把管道表面的氧化皮、銹蝕等雜質除掉，還可以增加表面粗糙度。酸洗可去除管道表面的油污、氧化物等，以此提高表面的清潔程度。磷化處理可在管道表面形成一層磷化膜，提升涂層與基體的結合力。在實際運用的時候，可以依據管道的材質以及涂層材料的相關要求，挑選適宜的表面處理方法。

涂覆工藝指的是把涂層材料均勻地覆蓋于管道內壁的一種操作過程，常見的涂覆工藝有涂覆、噴涂以及浸涂等多種方式。涂覆工藝適合用于小口徑管道，可借助刷子、滾筒等工具把涂層材料均勻地涂抹在管道內壁。噴涂工藝適用于大口徑管道，可用噴槍將涂層材料霧化后噴涂到管道內壁。浸涂工藝則是把管道浸入涂層材料中，使涂層材料均勻地附著在管道內壁上。不同的涂覆工藝各有不同的優點和缺點，在實際應用中，需要依據管道的規格、形狀以及涂層材料的要求，挑選合適的涂覆工藝。

固化工藝是使涂層材料在管道內壁形成穩定涂層的過程，不同涂層材料所需固化條件存在差異（如溫度、時間等）。例如，環氧樹脂涂層需在特定溫度下實施固化，固化時間一般在幾小時至幾十小時之間；聚氨酯涂層可在常溫下固化，不過固化時間相對較長。固化工藝的把控對涂層的性能影響重大，固化溫度過高或時間過長，可能致使涂層老化、開裂；固化溫度過低或時間過短，可能造成涂層固化不徹底，影響防結晶性能。因此，涂層制備期間要嚴格控制固化工藝參數。

4.2涂層性能評價與測試

實驗室測試是初步評價涂層材料性能的關鍵方式，常用測試方法包括耐腐蝕性測試、防結晶性測試以及附著力測試等。耐腐蝕性測試可通過浸泡試驗、電化學測試等評價涂層材料在不同腐蝕介質中的耐腐蝕性能。防結晶性測試可通過靜態結晶試驗、動態結晶試驗等方法，對涂層材料防止鹽類晶體結晶的能力進行評價。附著力測試可通過劃格法、拉開法等方法，對涂層材料和管道基體之間的附著力進行評價。經由實驗室測試，可挑選出性能不錯的涂層材料，為后續的現場應用提供參考。

現場應用測試是最終評價涂層材料性能的關鍵步驟。現場應用測試需挑選有代表性的鹽湖采輸鹵管道，把篩選出的涂層材料涂覆于管道內壁，開展長期的實際運行測試。在測試進程中，要定期對管道展開檢查與維護，記錄涂層的性能變化情形，如結晶狀況、腐蝕狀況、附著力變化等。借助對現場應用測試數據的分析，可評估涂層材料在實際應用中的可靠性以及耐久性，為涂層材料的優化與推廣應用提供實踐方面的依據。

4.3性能改進與優化

在鹽湖采輸鹵管道防結晶涂層材料的研發過程中，根據實驗室測試以及現場應用測試所得結果，對涂層材料性能展開分析評價，找出其中的問題和不足是實現改進優化的關鍵前提。若測試說明涂層材料的防結晶性能不太理想，可從材料改性入手，添加納米二氧化硅、納米氧化鋁等納米顆粒，利用其小尺寸效應與表面效應，可填充涂層的孔隙，增加其致密性，降低表面能，有效阻擋鹽類晶體附著生長。改變涂層結構也可提高防結晶性能，例如設計多層復合結構，借助不同層材料的特性共同發揮作用，提高對鹽類晶體的抑制能力。

在涂層材料附著力欠佳時，工藝優化至關重要。改進表面處理工藝非常關鍵，對傳統的噴砂、酸洗等工藝的參數給予優化，例如調節噴砂壓力、酸洗濃度以及時間等，以此獲取更為適宜的表面粗糙度與清潔度，提高涂層和管道基體之間的機械咬合力。優化涂覆工藝也不容忽視，針對不同口徑與形狀的管道，要挑選恰當的涂覆方法。例如，對于大口徑管道，需改進噴涂工藝，優化噴槍角度以及噴涂速度，保證涂層可均勻覆蓋管道內壁。另外，還可將材料改性和工藝優化相結合，運用納米顆粒對涂層材料進行改性的優化固化工藝，精準控制固化溫度和時間，讓納米顆粒在涂層里均勻分布并且充分發揮作用，提升涂層性能。

持續開展材料改性以及工藝優化等性能改進工作，可逐步攻克涂層材料在防結晶和附著力等方面出現的問題，開發出性能更為出色的鹽湖采輸鹵管道防結晶涂層材料，為鹽湖資源開發利用提供可靠保障，推動鹽湖產業高效、可持續的發展。

5結語

通過對鹽湖采輸鹵管道結晶機理的深入研究，明確了溫度、濃度、流速等因素對結晶的影響規律，為防結晶措施的制定提供了理論依據。當下，防結晶涂層材料的開發研究取得了積極進展，新型涂層在實驗室及現場試驗中表現出良好的防結晶性能。未來，需進一步優化涂層材料性能，降低成本，推動其在鹽湖采輸鹵工程中的廣泛應用，保障管道安全高效運行。

參考文獻：

[1]徐琪，韓祥生，魏云鶴，等.提輸鹵管道用改性減阻劑的減阻性能及機理［J].濟南大學學報（自然科學版），2019，33(1) :31-36，67.

［2]劉宇平，張秉來，劉備，等.內陸鹽湖環境輸電線路沿線軟弱鹽漬土工程特性及工程對策探討[J].電力勘測設計，2023（增刊2)：173-179.