發(fā)布于2023.12.02
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作者:智子智能
導(dǎo)語：當(dāng)前，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)磁性異物的管控日益嚴(yán)格，盡管陶瓷內(nèi)襯管道憑借其各項(xiàng)優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用在氣力輸送系統(tǒng)中，但其失效原因仍是產(chǎn)線亟待破解的難題。
▲ 陶瓷內(nèi)襯在氣力輸送過程中的失效實(shí)物圖
一、陶瓷內(nèi)襯在氣力輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用
1、為什么要選用陶瓷內(nèi)襯管道？
氣力輸送系統(tǒng)是以空氣或其他氣體為輸送介質(zhì)，利用氣流動(dòng)能，將散裝物料密閉式輸送至卸料點(diǎn)。然而，物料在高速流動(dòng)過程中，容易與管道內(nèi)壁發(fā)生摩擦，導(dǎo)致磁性異物進(jìn)入產(chǎn)線，從而對(duì)鋰電池的安全性能造成影響。
▲ 正壓濃相輸送系統(tǒng)
基于此，陶瓷內(nèi)襯所具備的高耐磨性和高硬度性能，能夠很好地抵御物料沖擊，降低管道的更換頻率和維護(hù)成本，延長管道的使用壽命。
在材料輸送和制備的過程中，各種復(fù)雜工況會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)陷入較為惡劣的環(huán)境中，而陶瓷材料的耐高溫性能，可使系統(tǒng)在較高的溫度下保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。此外，陶瓷材料對(duì)絕大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)而言，有著較為優(yōu)異的耐腐蝕性，可有效抵抗物料的化學(xué)腐蝕。
更突出的是，陶瓷內(nèi)襯管道的表面較為光滑，能降低物料的流動(dòng)阻力，減少物料殘留量和管道堵塞情況，提升物料的輸送效率。
2、陶瓷內(nèi)襯的注意事項(xiàng)
在使用前，我們需要對(duì)管道內(nèi)部和連接處進(jìn)行檢查，確保管道內(nèi)無污染雜質(zhì)，且密封良好。同時(shí)，陶瓷內(nèi)襯的材質(zhì)要求需根據(jù)輸送物料的具體情況而定，通過周期性點(diǎn)檢，對(duì)管道的磨損情況和密封性能進(jìn)行檢查維護(hù)，及時(shí)更換損壞部件。
二、陶瓷內(nèi)襯的失效分析
（一）常見的失效原因
1、機(jī)械損傷
不同于常規(guī)的塑料和金屬材質(zhì)，陶瓷內(nèi)襯在設(shè)備安裝、運(yùn)行及維護(hù)過程中，均有可能受到如劃傷、撞擊及磨損等機(jī)械損傷，將導(dǎo)致陶瓷內(nèi)襯出現(xiàn)破裂或失效的情況。
2、熱沖擊
受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高低溫交替影響，陶瓷內(nèi)襯在遭受熱沖擊后，容易發(fā)生裂紋或斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致材料失效。
3、化學(xué)腐蝕
在實(shí)際應(yīng)用中，陶瓷內(nèi)襯可能會(huì)因接觸如酸、堿及其他腐蝕性物質(zhì)，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料出現(xiàn)腐蝕、剝落或開裂等失效現(xiàn)象。
4、安裝不當(dāng)
安裝過程中，有類似于尺寸不匹配、安裝壓力超出承受范圍值等安裝不當(dāng)?shù)那闆r，都有可能導(dǎo)致材料失效。
5、材料缺陷
陶瓷內(nèi)襯材料可能存在缺陷，如氣孔、雜質(zhì)或其他結(jié)構(gòu)問題，這些缺陷都有可能導(dǎo)致陶瓷內(nèi)襯失效。
（二）失效分析方法
針對(duì)常見的失效原因，可根據(jù)以下步驟對(duì)其進(jìn)行分析。
1、使用條件分析
評(píng)估陶瓷內(nèi)襯的使用條件，包括溫度、壓力、化學(xué)環(huán)境及其他可能影響其失效的因素，如酸堿腐蝕、物料摩擦以及管徑的熱脹冷縮等，綜合分析使用條件對(duì)其的影響。
2、應(yīng)力分析
為確認(rèn)是否存在任何過大的應(yīng)力或應(yīng)力集中，可對(duì)陶瓷內(nèi)襯進(jìn)行應(yīng)力分析。通過有限元分析或其他工程分析，來判斷陶瓷內(nèi)襯是否在使用過程中受到?jīng)_擊，尤其在彎道位置，是否因應(yīng)力無法釋放而導(dǎo)致陶瓷內(nèi)襯破裂。此外，需對(duì)安裝的規(guī)范性、法蘭卡扣的對(duì)稱性及外應(yīng)力影響進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步了解內(nèi)襯的失效原因。
3、疲勞分析
若陶瓷內(nèi)襯需經(jīng)歷反復(fù)的機(jī)械載荷或熱循環(huán)，那對(duì)其進(jìn)行疲勞分析是很重要的，能夠確定是否存在導(dǎo)致疲勞失效的可能性因素。例如，在傳輸高溫物料過程中，陶瓷內(nèi)襯會(huì)因受到長時(shí)間的冷熱沖擊，而導(dǎo)致陶瓷內(nèi)襯失效。
4、環(huán)境因素
評(píng)估陶瓷內(nèi)襯所處的環(huán)境因素，如溫度變化、化學(xué)侵蝕等，這些因素都有可能導(dǎo)致其失效。
5、對(duì)比分析
通過金相學(xué)、掃描電子顯微鏡或其他分析手段，將失效前后的陶瓷內(nèi)襯進(jìn)行對(duì)比分析，以確定是否存在明顯的差異，尤其是晝夜溫差、物料溫差等。
（三）失效分析示例
本示例采用剛玉管輸送，將對(duì)其失效原因進(jìn)行分析測(cè)試。
1、物理失效分析
觀察失效前后的陶瓷管道內(nèi)襯圖，可發(fā)現(xiàn)失效前的剛玉管內(nèi)壁光潔明亮，而失效后的管道中存在較多的殘留粉體以及掉皮現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可將使用完的管道進(jìn)行清理維護(hù)，延長管道的使用壽命。
▲ 陶瓷內(nèi)襯的失效實(shí)物圖
取出失效管道，仔細(xì)觀察陶瓷內(nèi)外壁表面是否存在裂紋、變形及起泡等現(xiàn)象。
如圖所示，失效前后的陶瓷管道外壁均較為干凈整潔，沒有太多損耗和變形氣泡的現(xiàn)象；然而，失效前后的陶瓷管道內(nèi)壁差別則較大，具體表現(xiàn)為失效前的陶瓷管道內(nèi)壁僅存在少量的保護(hù)層，顯示出陶瓷管道本身的顏色，且光滑整潔，適合粉料輸送；而失效后的陶瓷管道內(nèi)壁則殘留較多的輸送物料，并牢牢地粘在陶瓷管道的內(nèi)壁上，會(huì)對(duì)粉料輸送過程造成一定影響，影響輸送效率和輸送質(zhì)量。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效前后的內(nèi)外壁對(duì)比
采用“敲擊聽音”的方式，用小錘輕輕敲擊陶瓷內(nèi)襯，可發(fā)現(xiàn)失效前的聲音較為清脆，表明結(jié)構(gòu)完整；而失效后的聲音較為沉悶，說明內(nèi)襯可能已經(jīng)失效。
另外，使用千分尺對(duì)陶瓷管道進(jìn)行失效前后的內(nèi)襯厚度檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)失效后的陶瓷管道受長期輸送影響，導(dǎo)致管道內(nèi)壁出現(xiàn)磨損和變薄的現(xiàn)象。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效前后的厚度變化
在高速輸送物料的過程中，物料可能會(huì)對(duì)內(nèi)襯造成一定程度的劃傷，通過觀察內(nèi)襯表面，可發(fā)現(xiàn)其存在細(xì)小裂紋，如下圖所示。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效后的內(nèi)壁圖
使用高分辨顯微鏡進(jìn)行失效前后的內(nèi)襯分析，可發(fā)現(xiàn)失效前的內(nèi)壁僅存在加工拋光形貌；而失效后的表面不僅存在較多的細(xì)小裂紋，還出現(xiàn)劃痕和腐蝕現(xiàn)象，主要是因?yàn)槲锪显谳斔瓦^程中，會(huì)對(duì)內(nèi)襯表面進(jìn)行摩擦和腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)壁變薄失效。
通過EDS分析發(fā)現(xiàn)，失效前的陶瓷內(nèi)襯表面僅僅為氧化鋁相，無其他雜質(zhì)和吸附的腐蝕物質(zhì)；失效后，內(nèi)襯表面吸附較多的雜質(zhì)，存在硅、鈣及鈉等元素（輸送物料為陶瓷粉體），通過分析輸送物料，可得知吸附的雜質(zhì)為輸送物料殘留。因此，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在輸送完畢后需對(duì)管道進(jìn)行清理，保持內(nèi)襯的整潔。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效前后的內(nèi)壁SEM形貌與EDS能譜圖
2、化學(xué)失效分析
通過化學(xué)失效分析發(fā)現(xiàn)，失效前的陶瓷內(nèi)襯可抵抗酸堿鹽溶液腐蝕，在浸泡過程不會(huì)出現(xiàn)物質(zhì)溶解和析出，陶瓷塊不變色。而失效后的陶瓷內(nèi)襯由于受到輸送物料的侵蝕，導(dǎo)致表面吸附物料會(huì)溶解析出到溶液中，使得溶液變色，如下圖所示。對(duì)此，我們可通過酸性溶液對(duì)陶瓷內(nèi)襯進(jìn)行清潔，保持內(nèi)襯的干凈整潔。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效前后在不同溶液中的溶解情況
為進(jìn)一步分析失效前后的表面殘留物料，采用XRD測(cè)試技術(shù)，可得知失效前的主相為氧化鋁，無雜項(xiàng)。而失效后的表面雖然主相為氧化鋁，但存在雜項(xiàng)峰。由于管道主要輸送無機(jī)物，因此可判斷殘留物料為無機(jī)物。
一般而言，如果使用過有機(jī)物體系，建議再表征一下紅外光譜，可以確定陶瓷內(nèi)襯的失效是否由有機(jī)物的腐蝕導(dǎo)致。
▲ 陶瓷內(nèi)襯失效前后的XRD分析
綜上所述，陶瓷內(nèi)襯的失效現(xiàn)象主要有裂紋、吸附雜質(zhì)及內(nèi)襯開裂脫落等。針對(duì)物理和化學(xué)分析結(jié)果，可確定失效過程主要與輸送物料有關(guān)，受輸送過程中的管道磨損、開裂以及殘留物料吸附的影響，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)襯失效。
（四）管道優(yōu)化措施
基于失效分析結(jié)果，我們可從多個(gè)方面對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一方面需要了解管道特性（直徑、長度、材質(zhì)及彎曲半徑等），確定氣流速度和壓力，進(jìn)而選擇合適的氣源，適當(dāng)?shù)厥褂脡嚎s機(jī)或其他設(shè)備來增加壓力和流量。另一方面，需綜合考慮物料的粒度、密度及形狀等特性，對(duì)進(jìn)料口、出料口、除塵器及閥門等部件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
在實(shí)際應(yīng)用中，采用聲紋檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的壓力、溫度及流量等參數(shù)，靈活調(diào)整氣流速度和壓力，預(yù)測(cè)性維護(hù)管道，及時(shí)應(yīng)對(duì)各種異常情況。此外，定期對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，延長使用壽命。
（五）總結(jié)
在氣力輸送系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，陶瓷內(nèi)襯的失效原因需從多個(gè)方面進(jìn)行分析，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能和工藝流程，選擇更適用于氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)用的陶瓷內(nèi)襯，并制定預(yù)防措施以降低失效風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)的可靠性。
