CN105256309A - 一种管道内壁的熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内壁的熔覆方法，属于激光熔覆方法技术领域，在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层，本发明可以有效地提高管道内壁的耐腐蚀性和耐磨损性，延长管道的使用寿命，同时，熔覆层具有开裂敏感性低、稀释率低、致密度高的特点，适应企业高科技、自动化发展需要。

Description

一种管道内壁的熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆方法技术领域，具体而言涉及一种管道内壁的熔覆方法。

背景技术

管道作为输送气体、液体或带固体颗粒的流体载体，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。管道的通行、支承、坡度、排液排气、补偿、保温与加热、防腐与清洗、识别与涂漆、安全等因素，无论对于地上敷设还是地下敷设都是重要的问题，其中，腐蚀是管道发生失效事故的主要原因。

石油管道所处环境极其复杂，是极易受到腐蚀的管道之一。水、气、烃等气相、液相、固相多相共存且流动的多相流腐蚀介质，加之高温、高压、HS、CO2、O2、Cl-和水分为石油管道的主要腐蚀介质。以水、烃两相为共存为例，当油水比例大于70％时，一般存在油包水的情况，腐蚀速率较低；当油水比例小于30％时，则会出现水包油的情况，腐蚀、磨损速率较高。水包油时会出现两种情况：一、油中含有起缓蚀剂作用的物质，由于受到缓蚀作用，其腐蚀速率比单相水介质的腐蚀速率要慢；二、当油中不含缓蚀作用物质时，由于各相间的互相促进作用，其腐蚀性有时会比单相介质强的多。

石油管道一旦发生腐蚀事故，轻者天然气和原油泄漏，重者燃烧、爆炸，不仅造成严重的经济损失，而且还会带来环境污染。目前，国内经常采用涂层防腐和电法保护提高石油管道内壁的耐腐蚀性能，效果均不理想。因此，如何提高管道内壁的耐腐蚀性能，是一项值得研究的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种管道内壁的熔覆方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种管道内壁的熔覆方法，包括在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

进一步，所述熔覆层的熔覆方式为紧密螺旋熔覆或疏松螺旋熔覆。

进一步，所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将待加工管道固定在工装上，所述工装匀速旋转带动所述待加工管道，围绕待加工管道的主轴匀速旋转，所述待加工管道的横截面为圆形；

(2)将激光头置于待加工管道内部，并且激光头沿着待加工管道的主轴方向进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置；

(3)采用同步送粉方式，在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

进一步，在所述熔覆过程中，对所述待加工管道的外表面，同步进行散热处理，所述散热处理的方法为：

在所述待加工管道的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的管道进行降温，所述冷气源的压强为5-20bar，输出冷空气温度为0-8℃，进气量为0.7-1.2m³/min。

进一步，所述紧密螺旋熔覆采用多道搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的一个进给工步中，激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道内壁、首尾相搭接的第N道熔覆条；

(2)所述激光头沿待加工管道的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道内壁、首尾相搭接的第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工管道的内壁完全覆盖，得到熔覆层。

所述紧密螺旋熔覆方式可以一次成形，熔覆层表面平整、均匀，有效提高工作效率。

进一步，所述紧密螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为540-600mm/min，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，功率为6800-7400W，送粉速度为15-25g/min，载流气体量为1-6L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为6-8mm/s。

进一步，所述疏松螺旋熔覆采用周期性搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工管道内壁的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条；

(2)所述激光头复位并沿待加工管道的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条的侧面，激光头自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工管道的内壁完全覆盖，得到所述熔覆层。

所述疏松螺旋熔覆方式可以有效降低熔覆热量对待加工管道的影响，采用周期性搭接，最终实现多道搭接，保证熔覆成形的均匀性。

进一步，所述疏松螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为480-540mm/min，功率为7000-7500W，送粉速度为20-30g/min，载流气体量为5-10L/min，且同一熔覆条的螺距应不小于激光光斑直径，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为8-10mm/s。

进一步，所述同一熔覆条的螺距为激光光斑直径的6-8倍，所述螺距既可以降低熔覆过程中产生热量对待加工管道的影响，又可以提高工作效率。

进一步，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：8.52-8.6份、Mo：15.3-16.2份、Ni：26.5-44份、Fe：9.2-9.8份、Mn：0.34-0.7份、Cr：17-19.5份、Si：0.34-0.5份、Nb：3-3.3份、WC：15-30份。

所述WC为粒度均匀的球形颗粒，其具有热膨胀系数低、硬度高的特点，Ni、Mo元素具备很好的韧性，能够有效降低熔覆层整体开裂敏感性，在合金粉末中加入比例适当的WC，促使合金粉末形成的熔覆层具有很好的抗滑动磨损和抗磨粒磨损性能，可以应对管道内壁的腐蚀及磨损。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用紧密螺旋熔覆和疏松螺旋熔覆方式，在待加工管道内壁形成熔覆层，可以有效地提高管道的耐腐蚀性和耐磨损性，延长管道的使用寿命。

2、本发明采用紧密螺旋熔覆方式，导致部分管道温度急剧升高，管道内极易集聚烟雾，同步进行散热和除烟操作，可以有效降低管道表面的温度，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾，有助于提高熔覆层的质量，防止熔覆层开裂和变形。

3、本发明采用疏松螺旋熔覆方式，可以有效避免部分管道温度急剧升高，同时，同步进行散热和除烟操作，有助于提高成品率，后续加工余量小，工作效率高。

4、本发明对激光器和送粉器的各项参数进行优选设定，能够保证合金粉末与管道内壁形成有效的冶金结合，节省生产成本。

5、本发明对合金粉末的配方和组份进行优选，促使合金粉末具有抗滑动磨损和抗磨粒磨损性能，同时使得熔覆层具有开裂敏感性低、稀释率低、致密度高的特点。

6、本发明可以对工装旋转速度、激光头的进给频率进行编程，适应企业高科技、自动化发展需要。

附图说明

图1是本发明的紧密螺旋熔覆方式示意图；

图2是本发明的疏松螺旋熔覆方式示意图；

图3是本发明的铜加速乙酸盐雾试验中试样一的实验结果图；

图4是本发明的铜加速乙酸盐雾试验中试样二的实验结果图。

附图中：待加工管道1、第N道熔覆条2、第N+1道熔覆条3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

一种管道内壁的熔覆方法，包括以下步骤：

(1)对待加工管道1的内壁进行预处理，去除内壁表面的毛刺及锈迹，露出金属光泽；

(2)将待加工管道1固定在工装上，并且工装以6mm/s的速度匀速旋转，带动所述待加工管道1围绕其主轴匀速旋转；

(3)将激光头置于待加工管道1内部，并且激光头在待加工管道1的主轴方向上进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾；

(4)采用同步送粉、紧密螺旋熔覆方式，在待加工管道1的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

本实施例中，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：8.52份、Mo：15.3份、Ni：26.5份、Fe：9.2份、Mn：0.34份、Cr：17份、Si：0.34份、Nb：3份、WC：15份。

所述待加工管道1横截面为圆形，其长度为3m，采用紧密螺旋熔覆方式，在其内壁熔覆合金粉末的具体方法为：

(1)在所述待加工管道1的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的管道进行降温；

(2)在所述激光头沿待加工管道1的主轴方向的一个进给工步中，所述激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道内壁、首尾相搭接的第N道熔覆条2，其单边厚度为1mm；

(3)所述激光头沿待加工管道1的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条2的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道1内壁、首尾相搭接的第N+1道熔覆条3，其单边厚度为1mm；

(4)重复进行步骤(3)，直至熔覆条将所述待加工管道1的内壁完全覆盖，在所述待加工管道1的两端分别熔覆一个围绕待加工管道1内壁、首尾相接、厚度为1mm的熔覆条，得到熔覆层；

(5)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为0.6mm，保留在所述待加工管道1内壁的熔覆层单层厚度为0.4mm。

本实施例中，选用二氧化碳激光器产生矩形激光光斑，激光光斑尺寸为15mm*2.5mm，第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％，激光器的线速度为540mm/min，步距为5mm，功率为6800W，送粉速度为15g/min，载流气体量为1L/min，所述冷气源的压强为5bar，输出冷空气温度为8℃，进气量为1.2m³/min。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述合金粉末包括以下配方组份：C：8.58份、Mo：16份、Ni：29份、Fe：9.6份、Mn：0.5份、Cr：17.8份、Si：0.45份、Nb：3.2份、WC：20份。

选用半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为17mm*3mm，所述待加工管道的长度为2.5m，第N、N+1道熔覆条的搭接率为42％，激光器的线速度为570mm/min，步距为8.5mm，功率为7000W，送粉速度为20g/min，载流气体量为3.5L/min，工装旋转速度为7mm/s，所述冷气源的压强为12bar，输出冷空气温度为4℃，进气量为1.1m³/min。

所述熔覆条的单边厚度为1.5mm，车削单边厚度为1.0mm，保留在所述待加工管道1内壁的熔覆层单层厚度为0.5mm。

本实施例制备的熔覆层一次成形，工作效率高，在熔覆过程中同步进行散热和除烟操作，可以有效降低管道表面的温度，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾，有助于提高熔覆层的质量，防止熔覆层开裂和变形。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述合金粉末包括以下配方组份：C：8.6份、Mo：16.2份、Ni：44份、Fe：9.8份、Mn：0.7份、Cr：19.5份、Si：0.5份、Nb：3.3份、WC：30份。

所述待加工管道1横截面为椭圆形，其长度为2m，选用光纤半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为14mm*2mm，第N、N+1道熔覆条的搭接率为50％，激光器的线速度为600mm/min，步距为7mm，功率为7400W，送粉速度为25g/min，载流气体量为6L/min，工装旋转速度为8mm/s，所述冷气源的压强为20bar，输出冷空气温度为0℃，进气量为1.0m³/min。

所述熔覆条的单边厚度为2mm，车削单边厚度为1.4mm，保留在所述待加工管道1内壁的熔覆层单层厚度为0.6mm。

实施例四：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工管道1横截面为椭圆形，其长度为1.5m，采用疏松螺旋熔覆方式，在其内壁熔覆合金粉末，其具体方法：

(1)在所述待加工管道1的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的管道进行降温；

(2)在所述激光头沿待加工管道1的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工管道1内壁的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条2，其单边厚度为1mm；

(3)所述激光头复位并沿待加工管道1的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条2的侧面，激光头自所述待加工管道1的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条3，其单边厚度为1mm，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％；

(4)重复进行步骤(3)，直至熔覆条将所述待加工管道1的内壁完全覆盖，得到所述熔覆层；

(5)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为0.45mm，保留在所述待加工管道1内壁的熔覆层单层厚度为0.55mm。

本实施例中，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：8.52份、Mo：16.2份、Ni：26.5份、Fe：9.8份、Mn：0.34份、Cr：19.5份、Si：0.3-0.5份、Nb：3.3份、WC：15份。

本实施例中，选用光纤半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为15mm*2.5mm，激光器的线速度为480mm/min，功率为7000W，送粉速度为20g/min，载流气体量为5L/min，且同一熔覆条的螺距为15mm，工装旋转速度为8mm/s，所述冷气源的压强为8bar，输出冷空气温度为7℃，进气量为0.7m³/min。

实施例五：

本实施例与实施例四相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工管道1横截面为圆形，其长度为3m，所述第N、N+1道熔覆条的搭接率为41％，所述熔覆条的单边厚度为1.5mm，车削单边厚度为0.9mm，保留在所述待加工管道内壁的熔覆层单层厚度为0.6mm。

本实施例中，所述合金粉末包括以下配方组份：C：8.58份、Mo：16.1份、Ni：41份、Fe：9.5份、Mn：0.64份、Cr：18.5份、Si：0.45份、Nb：3.1份、WC：20份。

本实施例中，选用半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为14mm*2mm，激光器的线速度为510mm/min，功率为7200W，送粉速度为25g/min，载流气体量为8L/min，工装旋转速度为9mm/s，且同一熔覆条的螺距为84mm，所述冷气源的压强为14bar，输出冷空气温度为3℃，进气量为0.8m³/min。

本实施例制备的熔覆层均匀度高，后续加工余量小，在一定程度上提高了工作效率，本实施例所述的熔覆方式可以有效避免部分管道温度急剧升高，有助于提高成品率。

实施例六：

本实施例与实施例四相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工管道1的长度为1m，第N、N+1道熔覆条的搭接率为48％，所述熔覆条的单边厚度为1.9mm，车削单边厚度为0.8mm，保留在所述待加工管道内壁的熔覆层单层厚度为0.7mm。

本实施例中，所述合金粉末包括以下配方组份：C：8.6份、Mo：16.2份、Ni：44份、Fe：9.8份、Mn：0.7份、Cr：19.5份、Si：0.5份、Nb：3.3份、WC：30份。

本实施例中，选用二氧化碳激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为9mm*1.6mm，激光器的线速度为540mm/min，功率为7500W，送粉速度为30g/min，载流气体量为10L/min，工装旋转速度为10mm/s，且同一熔覆条的螺距为72mm，所述冷气源的压强为20bar，输出冷空气温度为0℃，进气量为0.9m³/min。

另外，在所述疏松螺旋熔覆方式中，第N道熔覆条2与第N+1道熔覆条3可以间隔熔覆，直至熔覆条将所述待加工管道1的内壁完全覆盖，且相邻熔覆条的搭接率为30-50％，得到所述熔覆层。

对比实验一：

取两块腐蚀程度相近的石油管道，直径均为825mm，长度均为2m，材质均为X60，分别采用本发明实施例二、实施例五所述的熔覆方法对石油管道内壁进行修复，在修复后的成品上，取60mm×60mm的试样，分别标记为试样一、试样二。

对所述试样一、试样二进行625h的铜加速乙酸盐雾试验(CASS试验)，实验结果分别如图3、图4所示。

由图3、图4中可以看出：试样一、试样二表面均未出现腐蚀现象，通过该项检测。

对比实验二：

取对比实验一所得的试样一、试样二，在对比实验一中所述石油管道基体上取60mm×60mm的试样三，分别经80目砂轮、600目砂纸打磨平整后，使用HRS-150A型数显洛氏硬度计，对所述三者表面分别进行硬度检测。

在试样一、试样二、试样三表面分别取五个检测区域，同一检测区域内间隔3mm取点，共取5个点，5点硬度取平均，得到的实验数据如表1：

表1：

试样	区域一	区域二	区域三	区域四	区域五
						试样一	25HRC	25.5HRC	24HRC	90HRC	23.5HRC
试样二	25.5HRC	92HRC	24HRC	24.5HRC	23.5HRC
						试样三	22HRC	23HRC	21HRC	21.5HRC	22.5HRC

上述实验在山东能源重装集团大族再制造有限公司化验室进行

通过如上实验数据分析，除区域四外，试样一的其他四个检测区域的硬度平均值较为接近；除区域二外，试样二的其他四个检测区域的硬度平均值亦较为接近，且试样一、试样二的硬度平均值相近，采用本发明所述的紧密螺旋熔覆、疏松螺旋熔覆方法进行修复的管道内壁，其耐磨性能相近。

所述试样一、试样二中存在WC颗粒，所述WC颗粒的硬度平均值分别为90HRC、92HRC，显著提高了试样的耐磨损性能，除WC颗粒的硬度外，所述试样一、试样二、试样三的硬度范围均为20-30HRC，易于加工。

由以上实验结果可以得出：采用本发明所述的紧密螺旋熔覆、疏松螺旋熔覆方法进行修复的管道内壁，具有较高的耐腐蚀性能，且管道各处硬度相近，WC颗粒有助于提高管道内壁的耐磨损性能。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

2.根据权利要求1所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述熔覆层的熔覆方式为紧密螺旋熔覆或疏松螺旋熔覆。

3.根据权利要求2所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将待加工管道固定在工装上，所述工装匀速旋转带动所述待加工管道，围绕待加工管道的主轴匀速旋转，所述待加工管道的横截面为圆形；

(2)将激光头置于待加工管道内部，并且激光头沿着待加工管道的主轴方向进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置；

(3)采用同步送粉方式，在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

4.根据权利要求3所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：在所述熔覆过程中，对所述待加工管道的外表面，同步进行散热处理，所述散热处理的方法为：

在所述待加工管道的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的管道进行降温，所述冷气源的压强为5-20bar，输出冷空气温度为0-8℃，进气量为0.7-1.2m³/min。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述紧密螺旋熔覆采用多道搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的一个进给工步中，激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道内壁、首尾相搭接的第N道熔覆条；

(2)所述激光头沿待加工管道的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工管道内壁、首尾相搭接的第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工管道的内壁完全覆盖，得到熔覆层。

6.根据权利要求5所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述紧密螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为540-600mm/min，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，功率为6800-7400W，送粉速度为15-25g/min，载流气体量为1-6L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为6-8mm/s。

7.根据权利要求2-4任意一项所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述疏松螺旋熔覆采用周期性搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工管道内壁的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条；

(2)所述激光头复位并沿待加工管道的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条的侧面，激光头自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工管道的内壁完全覆盖，得到所述熔覆层。

8.根据权利要求7所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述疏松螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为480-540mm/min，功率为7000-7500W，送粉速度为20-30g/min，载流气体量为5-10L/min，且同一熔覆条的螺距应不小于激光光斑直径，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为8-10mm/s。

9.根据权利要求8所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述同一熔覆条的螺距为激光光斑直径的6-8倍。

10.根据权利要求1所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述合金粉末包括以下配方组份：

C：8.52-8.6份、Mo：15.3-16.2份、Ni：26.5-44份、Fe：9.2-9.8份、Mn：0.34-0.7份、Cr：17-19.5份、Si：0.34-0.5份、Nb：3-3.3份、WC：15-30份。