毕业论文：输水管道内涂防腐材料设计

材料化学涂装工艺班级：材料化学 081姓名：-学号：-指导教师：-时间：二一一年七月八日 19:09:56西安理工大学材料学院材料化学专业 1目录表面工程课程设计任务书 11 概况 21.1 设计任务书及目标 21.2 设计任务书： 21.3 设计单位概况： 21.4 设计原则 41.5 设计范围 41.6 设计技术标准和规范 42 设计基础资料、规模和质量标准 52.1 管道材料 52.2 涂料成分 52.3 设计产量 123 涂料成分及配方设计 133.1 涂料成分选择 133.2 涂料配方 133.3 选择涂料的优越性 134 涂刷工艺设计 144.1 工艺方案设计总体设计 144.2 工艺方案部分设计 1424.3 总体涂刷装置图 154.4 涂刷工艺 154.5 所选涂刷工艺的优缺点 165 涂刷施工车间设计 175.1 涂刷车间设计平面设计 175.2 具体设计方案 185.3 设计平面图 195.4 车间设计的优缺点 196 技术经济分析 206.1 成本分析 206.2 出售价格 216.3 利润率 21参考文献 .21西安理工大学材料学院材料化学专业 1表面工程课程设计任务书1 设计题目：输水管道内涂防腐材料2 设计背景：人们对输水管道的防腐性要求增加，除防止水对输水管道的腐蚀、延长输水管道的使用寿命外，也防止腐蚀产物进入饮水中污染水质。例如，陕西延安地区、沈阳苏家屯地区地下水质为酸性，由于水质对输水铁管道的腐蚀，每天早晨打开水龙头，出水为带铁锈的红水，是人们无法生活饮用。我国香港地区以及中东好多国家，生活水中的漂白粉和盐含量较大，使输水管的腐蚀也比较严重，影响生活饮用水的质量，为此，要求输水管道内具有防止腐蚀的功能。3 设计技术要求：1）在输水管道采用防腐管道，防腐材料不降解，不产生二次污染，不影响生活饮用水质量；2）使用的输水管道为铸铁管，铸铁成本低，可承受较大的输水压力，输水管道的直径为 88mm 、108mm 、 159mm、300mm，内涂的防腐涂层厚在 0.1-0.3mm，表面光滑，表面粗糙度得到 Ra0.6-0.8；3）涂层无孔隙，耐 Cl- H+等腐蚀，年腐蚀率在 3%NaCl 溶液中小于 0.001mm/a，涂层材料在-15-60不开裂，粘结强度3 Mpa 。4 课程设计的基本要求：认真查阅相关的技术标准，领会设计内容及要求，先要勾画出管道选用材料、配方及施工，每一个设计计算2和选用材料要给出计算公式的出处。1 概况1.1 设计任务书及目标1.2 设计任务书：由于人们对输水管道的防腐性要求增加，既要防止水对输水管道的腐蚀、延长输水管道的使用寿命，也要防止腐蚀产物进入饮水中污染水质，所以要求在输水管道采用防腐管道，防腐材料不降解，不产生二次污染，不影响生活饮用水质量。1） 设计目标：设计出的防腐涂层不降解，不产生二次污染，不影响生活饮用水质量，涂刷工艺简单易行，并考虑到应有客观的经济效益。1.3 设计单位概况：西安理工大学属中央和陕西省共建、以陕西省管理为主的高校。学校建校于 1949 年 5 月 1 日，前身是北京机械学院和陕西工业大学于 1972 年合并组建的陕西机械学院，1994 年 1 月经批准更名为西安理工大学 。 学校现有金花、曲江、莲湖 3 个校区和大学科技园，占地总面积 135 万平方米，建筑面积 73 万平方米。西安理工大学材料学院材料化学专业 3学校现设材料科学与工程学院、机械与精密仪器工程学院、印刷包装工程学院、自动化与信息工程学院、计算机科学与工程学院、水利水电学院、经济与管理学院、艺术与设计学院、理学院、人文与外国语学院、土木建筑工程学院、研究生学院、高等技术学院、继续教育学院、国防生教育学院等 15 个学院和体育教学部、思想政治理论课教学科研部。设有 23 个实验教学中心，其中有 1 个国家级实验教学示范中心，5 个陕西省高等学校实验教学示范中心；有 1个国家技术推广中心、1 个国家地方联合工程研究中心、1 个省部共建国家重点实验室培育基地，2 个教育部重点实验室，7 个陕西省重点实验室、7 个陕西省工程研究中心。学校是我国首批获得博士、硕士、学士学位授予权的高校之一。现有 10 个博士学位授权一级学科，44 个博士学位授权二级学科，22 个硕士学位授权一级学科，97 个硕士学位授权二级学科，学位授权点覆盖全部本科专业。建有水利工程、电气工程、机械工程、土木工程、电子科学与技术、材料科学与工程、管理科学与工程等 7个博士后科研流动站。水文学及水资源等 5 个学科为全国高等学校重点学科，机械制造及其自动化等 21 个学科为陕西省重点学科。学校现已发展成为以工为主、多学科协调发展、具有较强办学实力和特色鲜明的教学研究型大学。材料科学与工程学院是我校创建最早的院系之一。学院现设有材料科学与工程系、材料成型与控制工程系、材料物理与化学系三个教学系和一个以本科实验教学为建设目标的材料实验中心。具有4材料科学与工程一级学科博士学位授予权。1.4 设计原则采用先进技术、成熟工艺、合理投资、方便管理、运行可靠；防腐材料便于采购，原料来源广；施工工艺先进，加工方便。1.5 设计范围包括材料的选用，涂料配方的设计，涂料施工工艺，涂料涂刷后的保养，操作安全规程。1.6 设计技术标准和规范建设给排水设计规范GB50015-2003工业建筑防腐设计规范GB50046-96工业企业设计标准TJ36-79建筑设计防火规范GB116-2001西安理工大学材料学院材料化学专业 52 设计基础资料、规模和质量标准2.1 管道材料选用 300mm（内径） ，长 6 米的铸铁管，含碳量在 2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为 2%4%。碳在铸铁中多以石 墨 形态存在，有时也以渗 碳 体 形态存在。2.2 涂料成分1） 环氧树脂涂料环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类： 缩水甘油醚类环氧树脂 双酚 A 型环氧树脂双酚 A（即二酚基丙烷）型环氧树脂即二酚基丙烷缩水甘油醚，或叫做双酚 A 二缩水甘油醚。在世界范围内它的产量占环氧树脂总量的 70%以上，它的应用已遍及国民经济的整个领域，因此被称为6通用型环氧树脂。双酚 A 二缩水甘油醚的化学结构式如下：该环氧树脂最典型的性能如下：a. 固化物有很高的强度和粘接强度；b. 固化收缩率低，是热固性树脂中收缩率最小的一种；c. 稳定性好，未加入固化剂时可放置 1 年以上不变质；d. 固化物有较高的耐腐蚀性；e. 机械强度高，可作结构材料用；f. 电绝缘性能优良，普遍性能超过聚酯树脂；g. 树脂的工艺性好，固化时基本上不产生小分子挥发物，可低压成型。但它有以下缺点：一是耐候性差，在紫外线照射下会降解，不能在户外长期使用；二是韧性不高，冲击强度低；三是耐湿热性差。 双酚 F 型环氧树脂西安理工大学材料学院材料化学专业 7双酚 F 型环氧树脂（ DGEBF）又叫双酚 F 二缩水甘油醚，由双酚 F 与 ECH 反应制得，相当于是在结构上 n=0 的线型酚醛树脂。化学结构与双酚 A 型环氧树脂（DGEBA）十分相似。双酚 F 二缩水甘油醚的化学结构式如下：其特点是黏度非常低。低分子量的 DGEBA 树脂的黏度约13Pa s，而 DGEBF 树脂的黏度仅为 3Pas。DGEBA 树脂在冬季常常发生结晶而成为一种操作故障，但是采用 DGEBF 树脂则不会有这样的麻烦。DGEBF 树脂的固化反应活性几乎可以与 DGEBA 树脂相媲美，固化物的性能除热变形温度（HDT）值稍低之外，其他性能都略高于 DGEBA 树脂。由于 DGEBF 树脂具有这样优异的性能，在当今，将这种树脂配合物用在自然条件下的土木和建筑方面，有急速增加的倾向。 双酚 S 型环氧树脂双酚 S 型环氧树脂（ DGEBS）又叫双酚 S 二缩水甘油醚，是由双酚 S 与 ECH 反应制得的。其化学结构与 DGEBA 树脂也十分相似。双酚 S 二缩水甘油醚的化学结构式如下：8它的黏度比同分子量的 DGEBA 树脂的黏度略高一些。它的最大特点是比 DGEBA 树脂固化物具有更高的热变形温度和更好的耐热性能。氢化双酚 A 型环氧树脂氢化双酚 A 型环氧树脂是由双酚 A 加氢得到的六氢双酚 A 与ECH 反应制得的。其特点是树脂黏度非常低，与 DGEBF 相当，但凝胶时间长，需要比 DGEBA 树脂凝胶时间长两倍多的时间才凝胶。氢化双酚 A 型环氧树脂固化物的最大特点是耐候性好。2） 缩水甘油酯类环氧树脂 缩水甘油酯型环氧树脂是 20 世纪 50 年代发展起来的一类环氧树脂，它的品种较多，但能够工业化生产的主要有苯二甲酸二缩水甘油酯和四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯及六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。以苯二甲酸二缩水甘油酯为例，有 3 种结构：西安理工大学材料学院材料化学专业 9该类树脂的分子中含有极性较强的缩水甘油酯键，因此与缩水甘油醚型树脂比较，其反应活性大，粘接强度高。它的特点如下：a. 黏度低，工艺性好；b. 与常温固化剂反应速度快，在一定温度时具有高反应性；c. 与其他环氧树脂的相容性好，可改进普通环氧树脂的性能；d. 固化物的机械性能与双酚 A 环氧树脂大体相同，耐热性低于双酚 A 型环氧树脂，耐水、耐酸、耐碱性不如双酚 A 型环氧树脂，但有优良的耐候性及耐漏电痕迹性；e. 固化产物在超低温度（-196）下仍具有良好的粘接强度。其主要缺点是酯键的存在使耐水性、耐酸性和耐碱性较差，耐热性也较差。103） 缩水甘油胺类环氧树脂 这类树脂是由多元胺同环氧氯丙烷反应脱去氯化氢而制得的，结构式如下：该类环氧树脂的特点是：a.黏度低；b.多官能度，活性高；C.缩水甘油胺固化产物的耐热性、机械强度都远远超过双酚 A 型环氧树脂。 其不足之处为有一定的脆性，因分子结构中既有环氧基又有氨基，因此有自固化性，储存期短。4） 线型脂肪族类环氧树脂 它是以脂肪族烯烃的双键用过氧化物环氧化而制得的环氧树脂。在其分子结构中没有苯环、脂环和杂环，只有脂肪链。国产脂肪族环氧化烯烃化合物主要有环氧化聚丁二烯树脂。环氧化聚丁二烯的结构如下：西安理工大学材料学院材料化学专业 11线型脂肪族环氧化物的特点如下：a.聚丁二烯环氧化物易溶于苯、甲苯、乙醇、丙酮、汽油等溶剂中；b.易与酸酐类固化剂反应，固化后的产物有良好的热稳定性；c.具有良好的粘接性和抗冲击性，固化后产品收缩率较大是它的缺点，它的主要用途是作为玻璃纤维的增强材料和涂料。5） 脂环族类环氧树脂脂环族环氧树脂是含有两个脂环环氧基的低分子化合物。这类环氧化物是由丁二烯、丁烯醛、环戊二烯按 Diels-Alder 反应制成脂环族二烯烃，再用过氧化醋酸等氧化制得的。它们的典型产品有二氧化双环戊二烯、二氧化双环戊二烯基醚、二甲基代二氧化乙烯基环己烯。二氧化双环戊二烯的结构如下：12二氧化双环戊二烯脂环族环氧树脂的特性如下：a.从分子结构上来看，脂环族环氧树脂的分子结构中没有苯环和羟基，环氧基直接连在脂环上；b.反应活性比双酚 A 型环氧树脂要小；c.脂环族环氧树脂是低分子化合物，黏度小，工艺性好，耐候性好。2.3 设计产量年涂刷 30 万吨西安理工大学材料学院材料化学专业 133 涂料成分及配方设计3.1 涂料成分选择酚醛树脂固化的环氧树脂漆酚醛树脂固化的环氧树脂漆，是环氧树脂漆中耐腐蚀性最好的一种。3.2 涂料配方耐酸碱腐蚀环氧酚醛清漆配比（质量分）：环氧树脂（E-06 ） 30 二甲苯 15环己酮 15 40%二酚基丙烷甲醛 25二丙酮醇 153.3 选择涂料的优越性漆膜具有优良的耐酸碱性、耐溶剂性、耐热性，机械强度高，漆的贮存稳定性较好。144 涂刷工艺设计4.1 工艺方案设计总体设计利用高压无气喷涂法，通过压力泵不断地向密闭的管道内输送涂料，从而在密闭的空间内形成高压，然后释放连接于涂料管末端的喷枪扳机，在涂料喷出的瞬间使其以 100m/s 的速度与空气发生碰撞，同时迅速膨胀而雾化。4.2 工艺方案部分设计高压无气喷涂装置包括：动力源，高压无气喷涂机，涂料槽，输漆高压管，喷枪，喷嘴等。4.2.1 设计计算及主要参数涂料用量计算管道的表面积 A=dL=3.1430.0600=56520cm2技术要求涂膜厚度在 0.1-0.3 之间，所以每根管所用涂料范围为：V1=Ah1=565200.01=565.2cm3V2=Ah2=565200.03=1695.6cm3主要参数涂料粘度 3Pas 喷嘴口径 1mm 喷流幅度 26cm涂料雾化角度 80 涂料压力 7MPa 供主压力 0.6MPa压力比 45:1 喷嘴喷料速度 26.5m/s 漆膜搭接率 50%西安理工大学材料学院材料化学专业 154.2.2 主要零件图 （见图纸 1）4.3 总体涂刷装置图 （见图纸 2）4.4 涂刷工艺高压无气喷涂法，也称无气喷涂，它利用压缩空气驱动高压泵，使涂料增压至 11-25MPa 通过软管和喷枪喷出，或得高压的涂料离开喷嘴时，快速雾化成极细的微粒，喷射至被涂物表面形成均匀的涂膜。图 4.2 无气喷涂的原理示意图1-喷料容器 ；2-高压泵；3-高压涂料输送管164-喷枪；5-喷嘴4.5 所选涂刷工艺的优缺点优点：1）一次性涂膜厚度大，获得的涂膜较厚；2）涂料渗透能力高，喷涂效率高，是空气喷涂的 3 倍左右；3）涂料可加热后喷涂，降低了涂料的黏度，增加了涂膜附着力；4）涂料的利用率高，减少了对环境的污染；缺点：为了保证喷涂效果，需要配有预先将涂料加热的设备，是高压无气喷涂设备变得复杂庞大，因而其应用受到限制。西安理工大学材料学院材料化学专业 175 涂刷施工车间设计5.1 涂刷车间设计平面设计5.1.1 涂装车间的特点涂装工艺属于产品表面处理范畴，它是把具有一定要求的涂料涂覆在制品表面，经过固化形成涂膜，可对制品起到保护作用和装饰作用；它涉及机械、化学、高分子、电化学和自动控制等的多门学科综合型技术，同时在整个涂装生产过程中又有废水、废气和废渣的产生，对环境产生污染，再则涂装设备大部分是非标准设备，本身体积庞大；各种公用管道繁杂，涂装车间设计具有一定复杂性，尤其设计现代化涂装车间是极其繁重的工艺，既要采用先进涂装技术来保证产品表面质量，又要注意环境保护工作。5.1.2 涂装车间设计的基本原则在进行涂装车间设计的工作中，要求产品涂装工艺合理，采用的技术先进、可靠、安全，要将成熟的科技成果应用于设计、生产中，使之转化为生产力，并且力求项目的技术经济总体合理，综合经济效益最佳；采用的设备要适用，要综合考虑投入的人力、物力、财力和产18生的效益，用较少投入取得较多的产生。5.2 具体设计方案5.2.1 车间总面积42m20m=840m2设计具体面积设计区域 区域个数 设计面积（m2）配电室 1 52.4男女厕所 1 54.8男女更衣室 1 54.8值班室 1 52.6涂料储存室 1 52.5控制室 1 52.5检验室 1 4.42.5预处理区 1 106喷涂区 1 106烘干区 1 1065.2.2 人员编制配电室 2 人 涂料储存室 2 人 西安理工大学材料学院材料化学专业 19控制室 1 人 喷涂前铸铁储存区 1 人 喷涂后铸铁储存区 1 人预处理室 2 人喷涂室 2 人烘干室 2 人检验室 2 人清洁人员 2 人叉车工 1 人值班人员 1 人总人数为：2+2+1+1+1+3（2+2+2）+2+2+1+1=31（人）5.3 设计平面图（见图纸 3）5.4 车间设计的优缺点优点：1）车间设计运输路线方便，节省时间；2）每个室的设计都很合理；3）设计面积合理，既保证够用，又不浪费。缺点：1）喷涂室在车间中间，可能导致车间内空气较差；202）因药考虑到房间位置，有些窗户的设计由于风向问题欠佳。6 技术经济分析6.1 成本分析1）每根管道涂刷用时计算（管子移动速度 10.8m/min）：T=6/10.8=0.56min/根2）每天产量计算：2460/0.56=2571