CN102438823A - 疲劳腐蚀开裂的金属管的涂覆 - Google Patents

疲劳腐蚀开裂的金属管的涂覆 Download PDF

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Abstract

采用热喷涂技术制备选自镍/铬/硼和无铬贱金属/铝//钛/硅/硼的涂层，涂覆疲劳腐蚀开裂的锅炉管，进行疲劳裂纹止裂。

Description

疲劳腐蚀开裂的金属管的涂覆
技术领域
一方面，本发明涉及一种涂覆了耐高温、防腐抗蚀金属涂层的疲劳腐蚀开裂金属管(Fatigue corrosion cracked metallic tube)。另一方面，本发明涉及一种疲劳腐蚀开裂金属管的涂覆方法。
背景技术
过去是以劳动力和材料密集型作业方式，在停运期间对呈现疲劳腐蚀裂纹(又称环向疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹)的管区进行维修，用新管更换损坏的管段。
目前对导致裂纹的机理所知甚少，但主要认为产生裂纹的原因是纯热疲劳、机械疲劳与腐蚀联合作用和腐蚀产物受到循环疲劳和裂纹影响的纯腐蚀中的一种或多种。
发明内容
本发明的目的在于采用一种热喷涂技术涂覆疲劳腐蚀开裂的金属管，以防裂纹扩展进一步损坏管子或形成新的裂纹。
本发明的一个实施例中提供了一种涂覆后的金属管。管子含有轴向延伸的管状侧壁，外部疲劳腐蚀开裂。疲劳腐蚀开裂部分具有环向扩展裂纹，该裂纹径向向内延伸，部分穿透管状侧壁。疲劳腐蚀开裂部分涂覆了金属涂层。金属涂层桥联环向扩展的裂纹，并粘附在管子的金属部分和裂纹中可能残留的腐蚀产物(主要为氧化铁和硫化铁)上，从而用金属涂层覆盖该部分。
本发明的另一个实施例中提供了一种对金属管疲劳腐蚀开裂进行止裂和防止管子进一步疲劳腐蚀开裂的方法。该方法包括：识别管子具有疲劳腐蚀裂纹的部分；采用颗粒冲击工艺清洁该部分；采用热喷涂技术涂覆金属涂层到该部分以便加以包覆。金属涂层选自镍/铬/硼组合物和无铬贱金属(chrome-free base metal)/铝//钛/硅/硼组合物。
附图说明
图1是使用过的管子水冷壁的局部示意图。
图2是图1中管子水冷壁喷砂处理后的局部示意图。
图3是清晰显示出裂纹和腐蚀产物的疲劳腐蚀裂纹的剖面示意图。
图4是疲劳腐蚀裂纹局部成分信息的示意图。
图5是按照本发明的一个实施例对图2中的水冷壁涂覆后的局部示意图。
图6是按照本发明的一个实施例对水冷壁涂覆后的剖面示意图。
图7是按照本发明的一个实施例涂覆后的管子的纵剖面示意图。涂层不按比例。
图8是图7中涂覆后的管子沿8-8方向的剖面示意图。
最佳实施方式
本发明涉及采用特殊丝材以热喷涂技术涂覆金属管(例如锅炉管)的环向疲劳腐蚀裂纹，从而对裂纹止裂并防止新的裂纹形成。此类裂纹主要发生在运行条件涉及较高的局部运行温度、(例如管表面周期性结渣脱落引起的)局部热循环和高硫和/或高氯的腐蚀性高温环境的水冷壁锅炉管上。
热喷涂已发展多年，形式多样，它是使熔融或半熔融的材料沉积到基体上从而形成耐磨或耐腐蚀涂层的一类工艺的总称。但截至目前，热喷涂尚未用于疲劳腐蚀裂纹的止裂。热喷涂工艺包括等离子喷涂、火焰喷涂、电弧-等离子喷涂、电弧喷涂和燃烧喷涂。电弧喷涂是一种热喷涂形式，利用送进的两根导电丝相互接近时在丝的端部产生的电弧来熔化丝端。然后，用压缩空气雾化熔融的材料，并喷涂到基体上，冷却后即可形成性能优异的金属涂层。
本发明采用的用于疲劳腐蚀裂纹止裂的金属涂层可选自含铬金属涂层和无铬金属涂层。
含铬金属涂层
本发明中使用的一个含铬金属涂层实施例为采用热喷涂技术涂覆的镍/铬/硼组合物。通常，按重量计该组合物成分包括约39％至约66％的镍、约29％至约51％的铬和约2％至约8％的硼。如有需要，可以用其他材料替代镍。例如，铁、碳素钢和低合金钢、不锈钢、铜、铜合金(如黄铜、青铜、铝青铜)、铝、铝合金(如铝-铜、铝-锰、铝-锰-镁、铝-硅、铝-锰-镁-铬、铝-镁-硅和铝-锌-锰-镁-铜)、钛、钛合金(如含钯、钼、镍、铝、钒、铌、钽、锡、锆、铬和铁的钛合金)钴、钴合金(如含铬、镍、钼和钨的钴合金)、锆、锆合金、钽和钽合金可替代所有或部分镍组分。
涂层中，部分镍和部分铬优选以硬质硼化物形式存在。涂层成分还可包括其他组分，按重量计，选自由最高约6％的硅、最高约10％的钼、最高约6％的铌、最高约5％的铝、最高约4％的钛、最高约9％的铁、最高约10％的钨和最高约4％的碳所组成的群组中的至少一个。如果有任何此类其他成分，通常成分范围为约0.5％至约6％的硅、约0.5％至约10％的钼、约0.5％至约6％的铌、约0.5％至约5％的铝、约0.5％至约4％的钛、约0.5％至9％的铁、约0.5％至约10％的钨和约0.5％至约4％的碳。
用于制备含铬金属涂层的有芯丝材(Cored wire)
涂层是通过提供有芯丝材并采用热喷涂技术(例如电弧喷涂技术)将其涂覆到基底上形成的。有芯丝材中含有组成最终涂层沉积物的所有合金组分。有芯丝材的芯材包含铬组分和硼组分，优选还包括镍或镍合金外皮(outer sheath)。通过热喷涂技术利用电弧熔化丝材，从而形成熔融的合金涂层组合物。将熔融的合金涂层组合物涂覆到基底上并使之固化，从而形成合金涂层沉积物。合金涂层沉积物包括离散可辨的多层分离的合金组合物。
一个优选实施例中，有芯丝材包括含铬的镍基合金(如690合金)的管状外皮和含碳化硼和碳化铬的内芯。优选的内芯组成按碳化硼重量计包括约25％至约400％的碳化铬。换句话说，碳化铬对碳化硼的比率范围优选为约1∶4至约4∶1。更优选地，内芯按碳化硼重量计包括约67％至约230％的碳化铬。换句话说，碳化铬对碳化硼的比率范围优选为约1∶1.5至约2.3∶1。
无铬金属涂层
本发明中使用的一个无铬金属涂层实施例为采用热喷涂技术涂覆的贱金属/铝//钛/硅/硼组合物。通常，按重量计，该组合物成分包括约60％至约90％的贱金属、至少约2％的铝、约2％至约10％的钛、约2％至约10％的硅和约2％至约10％的硼，并且不含铬。贱金属组分通常包括选自由铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝所组成的组合中的至少一种贱金属。优选地，所述贱金属选自由镍、铁和钴中至少一种所组成的组合，最优选地为镍。如有需要，涂层可包括其他组分，如选自由约0.1％至约10％的铁、约0.1％至约10％的钼、约0.1％至约10％的钨和约0％至约10％的碳所组成的组合中的组分。
用于制备无铬涂层的复合丝材
本发明的无铬涂层可采用复合丝材通过热喷涂技术形成。通常，复合丝材包括按重量计70％至95％的金属外皮(outer sheath)和按重量计约5％至约30％的内芯(innercore)。在一个优选实施例中，复合丝材包括按重量计约75％至约85％的金属外皮和按重量计约15％至约25％的内芯。
优选地，所述贱金属是较为质软的金属单质或合金，例如镍、铁或钴中的至少一种。优选为镍，外皮最优选地包括镍铝合金和/或硅。示例性材料包括按重量计约70％至约98％的镍和按重量计约2％至约30％的铝和/或硅，优选地按重量计约85％至约98％的镍和按重量计约2％至约15％的铝和/或硅，最优选地按重量计约90％至约97％的镍和按重量计约3％至约10％的铝。
本发明的一个实施例中的内芯包括约15％至约30％的钛、约15％至约35％的硅、约20％至约50％的硼和0％至15％的碳，全部优选地为颗粒，优选地为粉末混合物。钛、硅和硼可作为含有其他元素的混合物存在。钛和硅可通过适量的TiSi源提供，例如约50％至约60％的TiSi源(如TiSiFe)与例如约40％至约50％的硼和碳(可选)源(如B4C)的混合物。
内芯还可包括其他材料。其他材料可包括：碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钒和类似物；氧化物，如氧化铝、氧化锆和类似物；硼化物，如硼化镍、硼化铁和类似物。内芯还可包括其他金属粉末，如铝、镍或合金粉末、或复合物粉末，如碳化钨镍。举例来说，内芯可包括约0.1％至约10％的钼、约0.1％至约10％的钨、约0.1％至约10％的钕和约0.1％至约10％的碳。此外，内芯中可含有例如约0.1％至约10％的金属或金属合金粉末，该金属或金属合金粉末含有镁、磷、钒、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钼、钽和/或钨。
有芯丝材的制备
用于制备两种类型涂层中任一种的有芯丝材均可采用传统方式制备，将用作制备内芯的混合物(无需是成块的混合物)置于用作制备金属外皮的条带上。通过多个拉丝模连续拉拔条带，形成包裹内芯的丝材外皮。有芯丝材的最终外径取决于其应用。对于大多数的应用，有芯丝材的最终直径范围为约0.8mm至约6.4mm。传统的有芯丝材加工技术在专利号为6,156,443(Dallaire等)和6,513,728(Hughes等)的美国专利中公开，均在此作为参考资料引用。
具体实施方式
本发明的一个实施例中提供了一种涂覆金属管。参见图7。管子含有轴向延伸的管状侧壁10，外部疲劳腐蚀开裂。参见图2。疲劳腐蚀开裂部分具有部分穿透管状侧壁径向向内延伸的环向扩展裂纹50。裂纹50通常含有腐蚀产物，如氧化铁和硫化铁。参见图3。金属涂层60涂覆在疲劳腐蚀开裂的部分上。金属涂层60桥联环向扩展的裂纹50，并且围绕裂纹牢固地粘附在管子10的金属部分，而且至少在一定程度上粘附在裂纹中的腐蚀产物上，防止进一步严重的腐蚀产物发展成为裂纹。参见图6。从而，涂覆后的管子可以重新投入使用。
通常，管子为钢质材料，疲劳腐蚀开裂部分的裂纹环向扩展，部分环绕管子的外表面。涂层通常选自上述的镍/铬/硼和无铬贱金属/铝//钛/硅/硼。
两种最优选的涂层均可达到所要求的任何厚度。管子上覆盖裂纹的涂层部分厚度至少应为约0.006英寸(约0.15mm)，例如厚度范围为约0.006英寸(0.15mm)至约0.020英寸(约0.50mm)，但如有需要，涂层可以更厚，例如厚度范围为约0.020英寸至约0.100英寸(约0.50mm至约2.5mm)。优选地，管子疲劳腐蚀开裂部分的裂纹应完全由涂层覆盖，从而防止现有裂纹扩展和形成新的裂纹。
管子疲劳腐蚀开裂部分的裂纹50在含管轴的纵剖面中通常呈“V”型或“胡萝卜”型，并含有腐蚀产物。参见图3。涂层桥联裂纹顶部。(参见图6)。裂纹通常环向扩展。(参见图2)。裂纹中含氯和/或含硫材料的浓度高于管子未开裂的部分，特别是在裂纹的中央“脉络”中。参见图4。
本发明的另一个实施例中提供了一种金属管疲劳腐蚀开裂的止裂方法。该方法包括：识别金属管具有疲劳腐蚀裂纹的部分，采用颗粒冲击工艺(particle impingementprocess)(例如喷砂)清洁该部分，和采用热喷涂技术将金属涂层涂覆到该部分以便覆盖该部分。金属涂层选自镍/铬/硼组合物和无铬贱金属/铝//钛/硅/硼组合物。
图1中，管子的截面包含在通过连接板20相互连接的多个管子10形成的管壁的截面40之中。管子被结渣沉积物30覆盖。清洁后，该部分如图2所示，裂纹50更为清晰可见。
热喷涂技术采用的是包括金属外皮和粉末内芯的复合丝材。预期两种涂层均效果优异。第一种涂层包括上述的镍/铬/硼。第二种涂层是上述的无铬镍/铝//钛/硅/硼。
通过电弧喷涂包含形成涂层组分的有芯丝材来沉积涂层。通过基于电弧的热喷涂技术熔化丝材，形成熔融的合金涂层组合物，然后将其涂覆到管子上，形成涂层。开裂区域的涂层涂覆厚度范围通常为约0.5mm至2.5mm。涂层桥联裂纹并加以覆盖，使之与外界环境隔离。如有需要，可使涂层厚度沿管子的纵向逐渐减小，以免形成突出部分或其他陡面。

Claims (18)

1.一种含有轴向延伸的管状侧壁的涂覆金属管，所述金属管具有疲劳腐蚀开裂的外部，且所述金属管外部具有部分穿过管状侧壁且径向向内延伸的环向扩展裂纹，疲劳腐蚀开裂部分上有金属涂层，所述涂层桥联所述环向扩展裂纹，并粘附在管子的金属部分和裂纹中的腐蚀产物上。
2.根据权利要求1所述的涂覆金属管，其特征在于，所述管子为钢质材料制成。
3.根据权利要求2所述的涂覆金属管，其特征在于，所述疲劳腐蚀裂纹环向扩展，部分环绕管子的外表面。
4.根据权利要求3所述的涂覆金属管，其特征在于，所述金属涂层选自热喷涂镍/铬/硼和热喷涂无铬贱金属/铝//钛/硅/硼。
5.根据权利要求4所述的涂覆金属管，其特征在于，所述涂层为镍/铬/硼，按重量计，含有约39％至约66％的镍、约29％至约51％的铬和约2％至约8％的硼。
6.根据权利要求4所述的涂覆金属管，其特征在于，所述涂层为无铬贱金属/铝//钛/硅/硼，所述贱金属选自由铁、镍、钴、铅、锌、铜、铝和锡所组成的组合，含量为涂层的约70％至约90％。
7.根据权利要求6所述的涂覆金属管，其特征在于，所述贱金属为镍，含量为约70％至约90％，所述涂层还包括约2％至约10％的铝、约2％至约10％的钛、约2％至约10％的硅和约2％至约10％的硼。
8.根据权利要求4所述的涂覆金属管，其特征在于，所述涂层厚度范围为约0.15mm至约2.5mm。
9.根据权利要求4所述的涂覆金属管，其特征在于，所述涂层完全覆盖管子疲劳腐蚀开裂部分的裂纹。
10.根据权利要求4所述的涂覆金属管，其特征在于，所述管子的疲劳腐蚀开裂部分的裂纹在沿管的轴线的纵剖面中通常呈“V”型。
11.根据权利要求10所述的涂覆金属管，其特征在于，所述裂纹中含氯和/或含硫腐蚀产物的浓度高于管子未开裂的部分。
12.一种金属管疲劳腐蚀开裂部分的止裂方法，包括如下步骤：
识别金属管中具有疲劳腐蚀裂纹的部分；
采用颗粒冲击工艺清洁所述部分；以及
采用热喷涂技术涂覆金属涂层到所述部分，以便覆盖所述部分；其中
所述金属涂层选自镍/铬/硼和无铬贱金属/铝//钛/硅/硼。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热喷涂技术采用含有金属外皮和粉末内芯的复合丝材，所述管子为位于管墙中的锅炉管。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述涂层为镍/铬/硼，按重量计，含有约39％至约66％的镍、约29％至约51％的铬和约2％至约8％的硼。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述涂层为无铬贱金属/铝//钛/硅/硼，按重量计，含有约70％至约90％的镍、约2％至约10％的铝、约2％至约10％的钛、约2％至约10％的硅和约2％至约10％的硼。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：提供一种芯材中含有铬组分和硼组分的有芯丝材，所述丝材还包括镍或镍合金外皮；通过基于电弧的热喷涂技术熔化丝材，形成熔融的合金涂层组合物；将熔融的合金组合物涂覆到管上，形成涂层。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：提供一种芯材中含有钛组分、硅组分和硼组分的有芯丝材，所述丝材还包括镍/铝外皮；采用基于电弧的热喷涂技术熔化丝材，形成熔融的合金涂层组合物；将熔融的合金组合物涂覆到管子上，形成涂层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中涂层的厚度范围为约0.15mm至约2.5mm，并且涂层覆盖裂纹。
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