CN101709812A - 一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰及其制备方法，陶瓷绝缘涂层的材料成分为TiO2质量含量为0～50wt％、余量为Al2O3，杂质含量≤2.0wt％；涂层部位包括金属法兰基体的所有外表面；涂层厚度为0.1mm～0.6mm；涂层的表面粗糙度≤3.2μm；涂层孔隙率＜15％；制备方法包括金属法兰基体的制备、涂层制备、涂层加工工序。本发明不仅能使异质金属法兰之间处于可靠的电绝缘状态，防止发生电化学腐蚀，且可将绝缘法兰的工作温度从现有技术所允许的300℃左右提高到近900℃；能克服现有法兰绝缘技术的缺陷，满足石油、化工、电力、舰船等对绝缘金属法兰的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属电化学腐蚀防护及表面工程技术，特别是一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰及其制备方法。
背景技术
石油、化工、电力、船舶等设施和装备的管系经常存在阀门、管接头等异质金属法兰的连接情况。当接触海水、污水等电解质或环境潮湿时，异质法兰之间会因电极电位的差异而发生电偶腐蚀，使电位较低的金属腐蚀加速，并影响法兰强度和密封性能。法兰绝缘技术是给法兰施加一定的绝缘措施，通过增大法兰之间的电阻，显著降低其腐蚀电流，从而达到对电化学腐蚀的有效防护。
CN2046171中国专利“高压绝缘法兰”，公开了一种钢管道高压密封法兰防止电化学腐蚀的绝缘技术，其通过法兰绝缘密封垫片、螺栓绝缘套筒和螺母绝缘垫圈，使法兰实现电绝缘保护，并且将法兰本体及密封垫片设计成相应的凹凸配合形式，以便提高法兰的耐压等级。
CN2048550中国专利“法兰绝缘装置”公开了一种金属管道电化学防腐的法兰绝缘装置。该装置通过在法兰端面施加一个绝缘板，而使法兰之间处于电绝缘状态。
CN2128332中国专利“内衬绝缘法兰”公开了一种钢质管道法兰的电绝缘技术，其通过在平面法兰的端面或凹凸法兰的凹槽里使用聚四氟乙烯衬垫，并且配用螺栓绝缘套筒和螺母绝缘垫圈，使两个法兰之间处于电绝缘状态。
公开号CN2185831的中国专利“一种耐温绝缘法兰”介绍一种管道法兰阴极保护系统导电性分隔的耐温绝缘技术，通过在法兰端面开设密封槽，并在绝缘密封垫片的两面设置台阶，既达到绝缘目的，又利于提高法兰的耐温密封性能。
公开号CN2596159的中国专利“一种金属法兰管的绝缘连接结构”介绍了一种金属法兰的绝缘技术，采用绝缘密封垫片以及螺栓绝缘套筒和螺母绝缘垫圈，使法兰之间处于电隔离状态。
公开号CN2821351的中国专利“船岸连接绝缘法兰”介绍了一种输油管道连接法兰的绝缘技术，其借助螺栓绝缘套筒、螺母绝缘垫圈、法兰绝缘密封垫片、法兰凸缘绝缘护套以及给两个法兰凸缘之间施加填料环的方式，使法兰之间处于绝缘状态。
上述专利采用了相似的技术途径，即通过绝缘密封垫片和紧固件绝缘组件，使法兰之间处于电绝缘状态，但为了保证法兰的密封性和绝缘性，上述技术的绝缘件基本都是聚四氟乙烯、尼龙等有机物，因而具有如下共性缺陷：
(1)密封可靠性低：绝缘件易老化、易破损，且力性较差、容易失效，给法兰密封寿命和可靠性带来影响；
(2)不适于高温绝缘：因有机物绝缘件的耐温性差，绝缘法兰的使用温度一般不超过300℃；
(3)绝缘可靠性差：除绝缘件易失效而降低绝缘可靠性外，现有技术大都仅对法兰端面和紧固件进行绝缘，其它部位则处于裸露状态，因而增大了法兰之间形成电导通的危险性；这也应该是“船岸连接绝缘法兰”技术给法兰凸缘采用绝缘护套、并在凸缘之间施加绝缘填料的初衷，但使用护套和填料环无疑会增加工序和成本。
(4)不能阻止环境介质对法兰的侵蚀：现有技术都难以在法兰外表形成完整的覆盖保护层，因而缺乏对环境介质侵蚀的有效防护。
以上缺陷影响了这些技术的推广应用，也使许多对可靠性要求严格或使用温度较高的金属法兰仍处于缺乏电绝缘保护的尴尬境地。
与上述绝缘技术不同，通过热喷涂制备的有些陶瓷涂层除了良好的绝缘特性外，还具有良好的抗压性、耐磨性和化学稳定性，因而不老化、寿命长、密封可靠性高；制备工艺性好，可方便地涂覆于平面法兰或凹凸法兰的所有外表面，带来可靠的绝缘保护和良好的抗环境介质侵蚀能力。然而，在现有技术中，未见通过给金属法兰涂覆陶瓷涂层的方式实现绝缘保护的类似专利文献。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰及其制备方法，通过等离子喷涂在法兰表面制备出陶瓷涂层，利用其良好的电绝缘特性、优异的耐蚀性以及可承受900℃高温的突出耐高温性能和隔热性能，使异质法兰之间处于电绝缘状态，以有效防止电偶腐蚀和环境侵蚀对金属法兰的破坏，并显著提高其使用温度，从而满足军、民品管系对高、低温绝缘法兰的应用需求。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：金属法兰包括金属法兰基体和涂覆的陶瓷绝缘涂层，陶瓷绝缘涂层的材料成分为TiO2质量含量为0～50wt％、余量为Al2O3，杂质含量≤2.0wt％；涂层部位包括金属法兰基体的所有外表面；涂层厚度为0.1mm～0.6mm；涂层的表面粗糙度≤3.2μm；涂层孔隙率＜15％。用于涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰基体可以采用任何常规的法兰制备工艺进行制备。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案可以是：所述的金属法兰基体表面的粗糙度不超过3.2μm；涂层和金属法兰基体的结合强度≥10Mpa。
发明要求涂层的表面粗糙度≤3.2μm，以保证法兰的密封效果，并提高法兰背面涂层承受螺栓紧固的能力；涂层厚度为0.1mm～0.6mm，既可消除涂层中的贯通性孔隙，提高抵抗环境介质侵蚀的能力，又可保证涂层具有良好的绝缘和隔热性能，以提高金属法兰的使用温度和抗电化学腐蚀性能，同时还可避免涂层因太厚而过早剥落；金属法兰基体表面的粗糙度不超过3.2μm，可以避免因粗糙度太大而降低与涂层之间的结合强度，以保证绝缘法兰的使用寿命。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案可以是：所述的金属法兰基体的所有棱角倒圆半径大于等于1.0mm，并在涂覆涂层后将涂层的棱角倒圆，且圆角半径与该部位基体在涂覆前的圆角半径相一致。这样可以避免涂层与基体结合力太低，在使用时过早剥落，影响绝缘法兰的绝缘效果和使用寿命。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案还可以是：所述的涂层当金属法兰基体为平面法兰时，涂层部位包括法兰背面、法兰侧面、法兰前端面、密封端面和螺孔内壁。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案还可以是：所述的涂层当金属法兰基体为平面法兰时，涂层部位包括法兰背面、法兰侧面、法兰前端面和密封端面，在螺孔内壁不用涂层，而是采用螺栓绝缘套筒使螺栓与螺孔内壁之间实现电绝缘。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案还可以是：所述的涂层当金属法兰基体为凹凸法兰时，涂层部位包括法兰背面、法兰侧面、法兰前端面、密封凸台或凹槽的表面以及螺孔内壁。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其进一步具体的技术方案还可以是：所述的涂层当金属法兰基体为凹凸法兰时，涂层部位包括法兰背面、法兰侧面、法兰前端面和密封凸台或凹槽的表面，在螺孔内壁不用涂层，而是采用螺栓绝缘套筒使螺栓与螺孔内壁之间实现电绝缘。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，包括
------金属法兰基体的制备：在采用普通方法制备出常规金属法兰后，将金属法兰预加工，预加工方法为普通车削或磨削加工，使法兰表面的粗糙度不超过3.2μm；同时将法兰上所有棱角倒圆，且倒圆半径大于等于1.0mm，这样就得到金属法兰基体；
------涂层制备：包括(1)喷砂预处理：对经过预加工的金属法兰进行喷砂预处理，使其表面清洁度达到Sa3级，粗糙度为25～100μm；(2)原料粉末加工：将成分符合要求的原料粉制备成为普通微米结构喷涂粉末，其粒度和粒形应适于所用的喷涂设备，或者直接采购符合要求的原料粉末；(3)等离子喷涂：采用普通等离子喷涂设备和相应的工艺参数制备绝缘涂层，所制备的涂层应满足孔隙率＜15％，结合强度≥10Mpa，涂层厚度应保证在加工后为0.1mm～0.6mm；
-----涂层加工：对法兰背面、法兰侧面、平面密封的密封端面、凹凸密封的密封凸台、凹槽表面以及涂有涂层的螺孔内壁的涂层进行机械或手工磨削、抛光，加工后涂层应满足：①各部位的尺寸公差和形位公差达到法兰图纸的设计要求；②涂层的表面粗糙度≤3.2μm；③涂层厚度为0.1mm～0.6mm。
上述的涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，喷砂预处理可以以100～140号粒度清洁、干燥的刚玉砂对经过预加工的金属法兰进行喷砂处理；等离子喷涂过程中因喷涂参数与所用设备紧密相关，对喷涂设备和参数不严格规定，只要所制备的涂层满足要求即可。
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，其进一步具体的技术方案可以是：所述的涂层加工方法为：用平面磨床、外圆磨床、手持磨头等设备以及100～500目金刚石砂轮、油石、磨头等磨具，对法兰背面、法兰侧面、平面密封的密封端面、凹凸密封的密封凸台、凹槽表面以及涂有涂层的螺孔内壁的涂层进行机械或手工的磨削、抛光处理，其它部位可以不加工。其进一步具体的技术方案是：所述涂层经加工后的表面粗糙度≤3.2μm，以保证法兰的密封效果并提高法兰背面涂层承受螺栓紧固的能力；涂层厚度为0.1mm～0.6mm，这样既可赋予金属法兰良好的抗环境介质和电化学腐蚀性能，也有利于提高其使用温度，同时还可避免涂层因太厚而过早剥落。
这些技术方案，包括具体的技术方案以及进一步具体的技术方案也可以互相组合或结合，以达到更好的技术效果。比如，对于使用温度不超过300℃的金属法兰，其螺栓与螺孔之间的绝缘可采用螺栓绝缘套筒+螺孔内壁涂层的双重措施，除了可获得绝缘性能的加和效果外，还能使陶瓷绝缘涂层高的硬度和耐磨性与有机绝缘套筒良好的柔韧性相互匹配和补偿，从而有效提高该部位的绝缘可靠性和使用寿命。此外，对于配合使用的两个单法兰而言，在一般情况下仅对一个法兰施加涂层即可获得所需的绝缘性能，以便降低生产成本，提高工作效率；但是，当两法兰均需具备足够的耐高温或抗环境侵蚀能力时，可以对它们都使用绝缘涂层，以便满足特殊工况的需要。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰及其制备方法，利用陶瓷涂层性质稳定、抗压能力强、不老化、耐高温以及优异的电绝缘、耐腐蚀和隔热能力，不仅能使异质金属法兰之间处于可靠的电绝缘状态，防止发生电化学腐蚀，而且可将绝缘法兰的工作温度从现有技术所允许的300℃左右提高到近900℃。此外，陶瓷涂层能将法兰外表严密包覆，可有效阻止环境介质对法兰的侵蚀。
本发明提供的绝缘涂层技术能克服现有法兰绝缘技术的许多缺陷，更好地满足石油、化工、电力、舰船等军、民品管系对金属法兰绝缘措施的大量需求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是平面绝缘法兰的涂层位置示意图。
图2是凹凸绝缘法兰的涂层位置示意图。
1、法兰背面；2、法兰侧面；3、法兰前端面；4、密封端面；5：螺孔内壁；6、带套筒螺栓；7、螺母；8、金属垫圈；9、螺栓绝缘套筒；10、无套筒螺栓；11、平面绝缘法兰；12、密封垫片；13、平面非绝缘法兰；14、绝缘凸法兰；15、绝缘凹法兰；16、密封凸台和凹槽。
具体实施方式
实施例1
以铜管段凸法兰的陶瓷绝缘涂层为例。
1)涂层成分：选用0wt％TiO2+100wt％Al2O3。
2)涂层位置：法兰上除螺孔内壁5以外的其它外表，包括法兰背面1、法兰侧面2、法兰前端面3及密封凸台表面。
3)法兰基体预加工：对法兰上要施加涂层的部位进行车削加工，加工后的表面粗糙度为2.2～2.8μm，密封凸台的端面与侧面之间的过渡圆角为R1.0，其它过渡圆角均为R1.5。
4)等离子喷涂：
①喷砂预处理：用100#刚玉砂对要喷涂的部位进行喷砂，表面清洁度为Sa3级，粗糙度为50～75μm。
②采用普通市售微米结构、粒度50～80μm的0wt％TiO2+100wt％Al2O3粉末和美国Praxiar 3710喷涂系统制备涂层，喷涂参数：主气压力0.35MPa、载气压力0.18MPa、电压45V、电流600A、送粉速率28g/min、喷枪速度400m/s、喷涂距离100mm。涂层性能为：孔隙率3％；结合强度32MPa；涂层厚度0.60mm。
5)涂层加工：采用平面磨床、外圆磨床及300目金刚石砂轮对法兰背面1、法兰侧面2和密封凸台表面的涂层进行磨削加工后，表面粗糙度0.5～0.8μm，涂层厚度为0.30～0.35mm；法兰前端面3的涂层不加工。
该法兰在采用上述陶瓷绝缘涂层并配用Ni基高温合金+石墨复合密封垫片和螺栓套筒后，其最高使用温度从原来有机物绝缘时的250℃提高到900℃，并且常温下的绝缘可靠性和寿命也显著提高。
实施例2
以钢管段凹法兰的陶瓷绝缘涂层为例。
1)涂层成分：选用20wt％TiO2+80wt％Al2O3。
2)涂层位置：包括螺栓孔内壁5在内的法兰所有外表，即法兰背面1、法兰侧面2、法兰前端面3、密封凹槽表面以及螺孔内壁5；
3)法兰基体预加工：对法兰上要施加涂层的部位进行车削加工，加工后的表面粗糙度为2.0～2.6μm，密封凹槽端面与侧面之间的过渡圆角为R1.0，其它过渡圆角均为R1.5。
4)等离子喷涂：
①喷砂预处理：用100#刚玉砂对待喷涂部位进行喷砂处理，表面清洁度为Sa3级，粗糙度为50～75μm。
②采用普通市售微米结构、粒度45～80μm的20wt％TiO2+80wt％Al2O3粉末和美国Metco 7M等离子喷涂系统制备涂层，喷涂参数：主气Ar流量40L/min、H2气流量8L/min、送粉气流量9L/mini、电压50V、电流650A、送粉速率20g/min、喷枪速度500m/s、喷涂距离100mm。涂层性能为：孔隙率4.5％；结合强度30MPa；涂层厚度0.60mm。
5)涂层加工：用平面磨床、外圆磨床及300目金刚石砂轮对法兰背面1、法兰侧面2和密封凹槽端面的涂层进行磨削；用300目金刚石油石对密封凹槽的底面和侧面手工磨抛；用300目金刚石磨头和手持磨头机磨削螺孔内壁5；法兰的前端面3涂层不加工。加工后的涂层表面粗糙度为0.80～2.5μm，涂层厚度为0.35～0.40mm。
该法兰在采用上述陶瓷绝缘涂层并配用Ni基高温合金+石墨复合密封垫片后，最高使用温度从原来有机物绝缘时的250℃提高到850℃，且因涂层中TiO2含量的增加其绝缘可靠性和寿命的提高更加显著。此外，由于在螺孔内壁5施加了陶瓷绝缘涂层，紧固螺栓可以不用绝缘套筒。
实施例3
以TC4钛合金阀门出水口平面法兰的陶瓷绝缘涂层为例。
1)涂层成分：选用50wt％TiO2+50wt％Al2O3。
2)涂层位置：含螺栓孔内壁5在内的法兰所有外表，包括法兰背面1、法兰侧面2、法兰前端面3、密封端面4和螺孔内壁5。
3)法兰基体预加工：对法兰上要施加涂层的部位进行车削加工，加工后的表面粗糙度为1.8～2.2μm，所有圆角均为R1.5。
4)等离子喷涂：
①喷砂预处理：用100#刚玉砂对待喷涂部位进行喷砂，表面清洁度为Sa3级，粗糙度为50～75μm。
②采用普通市售微米结构、粒度40～75μm的50wt％TiO2+50wt％Al2O3粉末和国产GP-80等离子喷涂系统制备涂层，喷涂参数：主气Ar流量100L/min、次气H2流量25L/min、载气60L/min、电压60V、电流500A、送粉速率20g/min、喷枪速度400m/s、喷涂距离90mm。涂层性能为：孔隙率5.5％；结合强度26MPa；涂层厚度0.60mm。
5)涂层加工：用平面磨床、外圆磨床及300目金刚石砂轮磨削法兰背面1、法兰侧面2和密封端面4的涂层；用300目金刚石磨头和手持磨头机对螺孔内壁5进行磨削；法兰前端面3不加工。加工后的涂层表面粗糙度为0.90～2.5μm，涂层厚度为0.4～0.50mm。
该法兰在采用陶瓷绝缘涂层并配用Ni基高温合金+石墨复合密封垫片后，最高使用温度从原来有机物绝缘时的280℃提高到850℃，且因TiO2含量更高，涂层的韧性和寿命进一步提高。此外，因螺孔内壁5施加了陶瓷绝缘涂层，紧固螺栓可以不用绝缘套筒。
Claims (10)
1.一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：金属法兰包括金属法兰基体和涂覆的陶瓷绝缘涂层，陶瓷绝缘涂层的材料成分为TiO2质量含量为0～50wt％、余量为Al2O3，杂质含量≤2.0wt％；涂层部位包括金属法兰基体的所有外表面；涂层厚度为0.1mm～0.6mm；涂层的表面粗糙度≤3.2pm；涂层孔隙率＜15％。
2.根据权利要求1所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的金属法兰基体表面的粗糙度不超过3.2μm；涂层和金属法兰基体的结合强度≥10Mpa。
3.根据权利要求1或2任一项所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的金属法兰基体的所有棱角倒圆半径大于等于1.0mm，并在涂覆涂层后将涂层的棱角倒圆，且圆角半径与该部位基体在涂覆前的圆角半径相一致。
4.根据权利要求1或2任一项所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的涂层当金属法兰基体为平面法兰时，涂层部位包括法兰背面(1)、法兰侧面(2)、法兰前端面(3)、密封端面(4)和螺孔内壁(5)。
5.根据权利要求1或2任一项所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的涂层当金属法兰基体为平面法兰时，涂层部位包括法兰背面(1)、法兰侧面(2)、法兰前端面(3)和密封端面(4)，在螺孔内壁(5)不用涂层，采用螺栓绝缘套筒使螺栓与螺孔内壁(5)之间实现电绝缘。
6.根据权利要求1或2任一项所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的涂层当法兰为凹凸法兰时，涂层部位包括法兰背面(1)、法兰侧面(2)、法兰前端面(3)、密封凸台或凹槽的表面以及螺孔内壁(5)。
7.根据权利要求1所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰，其特征在于：所述的涂层当金属法兰基体为凹凸法兰时，涂层部位包括法兰背面(1)、法兰侧面(2)、法兰前端面(3)、密封凸台或凹槽的表面，在螺孔内壁(5)不用涂层，采用螺栓绝缘套筒使螺栓与螺孔内壁(5)之间实现电绝缘。
8.根据权利要求1所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，其特征在于：制备方法包括
------金属法兰基体的制备：在采用普通方法制备出常规法兰后，将法兰基体预加工，预加工方法为普通车削或磨削加工，使法兰表面的粗糙度不超过3.2μm；将法兰上所有棱角倒圆，倒圆半径大于等于1.0mm；
------涂层制备：包括(1)喷砂预处理：对经过预加工的金属法兰进行喷砂预处理，使其表面清洁度达到Sa3级，粗糙度为25～100μm；(2)原料粉末加工：将成分符合要求的原料粉制备成为普通微米结构喷涂粉末，其粒度和粒形应适于所用的喷涂设备，或者直接采购符合要求的原料粉末；(3)等离子喷涂：采用普通等离子喷涂设备和相应的工艺参数制备绝缘涂层，所制备的涂层应满足孔隙率＜15％，结合强度≥10Mpa，涂层厚度应保证在加工后为0.1mm～0.6mm；
------涂层加工：对法兰背面(1)、法兰侧面(2)、平面密封的密封端面(4)、凹凸密封的密封凸台、凹槽表面以及涂有涂层的螺孔内壁(5)的涂层进行机械或手工磨削、抛光，加工后涂层应满足：①各部位的尺寸公差和形位公差达到法兰图纸的设计要求；②涂层的表面粗糙度≤3.2μm；③涂层厚度为0.1mm～0.6mm。
9.根据权利要求8所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，其特征在于：所述的涂层加工方法为：用平面磨床、外圆磨床、手持磨头等设备以及100～500目金刚石砂轮、油石、磨头，对法兰背面(1)、法兰侧面(2)、平面密封的密封端面(4)、凹凸密封的密封凸台、凹槽表面以及涂有涂层的螺孔内壁(5)的涂层进行机械或手工的磨削、抛光处理，其它部位不加工。
10.根据权利要求9所述一种涂覆陶瓷绝缘涂层的金属法兰的制备方法，其特征在于：所述涂层经加工后的表面粗糙度≤3.2μm；涂层厚度为0.1mm～0.6mm。
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