CN105441938A - 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，提高了对管道内壁进行激光熔覆的可操作性，合金粉末与管道内壁形成有效的冶金结合，促使熔覆层具有良好的抗氧化、抗冲击和抗热疲劳性能，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，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直铺熔覆，有效降低了轴类加工机床的能耗，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，所述待加工管道的横截面为圆形或多边形。

进一步，所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将所述待加工管道固定在工装上，将激光头置于待加工管道内部，并且激光头在待加工管道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；

(2)采用同步送粉方式，所述激光头沿着待加工管道的主轴方向自待加工管道的一端运动到另一端，完成一次进给运动；

(3)所述激光头沿着待加工管道的主轴方向复位，进行下一次进给运动；

(4)重复进行步骤(3)，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，所述待加工管道的横截面为圆形时，其熔覆方法为：

(1)所述工装带动待加工管道围绕待加工管道的主轴旋转，在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的一个进给运动中，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)所述激光头沿待加工管道的主轴方向复位，并在第N道熔覆条的侧面，自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，形成第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。

进一步，所述工装旋转与激光器的步距移动同步，且所述工装旋转幅度与激光器的步距移动幅度相同。

进一步，所述待加工管道的横截面为多边形时，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)所述激光头沿待加工管道的主轴方向复位，并在第N道熔覆条的侧面，自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，形成第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)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(4)所述工装带动待加工管道旋转，促使激光头位于另一平面的内壁处；

(5)重复进行步骤(1)-(4)，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。

进一步，激光器的线速度为540-720mm/min，功率为7500-8000W，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，送粉速度为15-20g/min，载流气体量为1-5L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm。

进一步，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：0.9-1.2份、W：4.0-4.2份、Ni：1.0-3.0份、Co：60.8-66.6份、Fe：0.3-1.0份、Cr：26.1-28.5份、Si：1.1-1.3份。

所述合金粉末中含有Ni、Cr，通过添加W、C进行固溶强化，促使熔覆层具有高温抗腐蚀性能，同时，熔覆层具有良好的抗氧化、抗冲击和抗热疲劳性能。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用直铺熔覆方式，在待加工管道内壁形成熔覆层，可以有效地提高管道内壁的耐腐蚀性和耐磨损性，延长管道的使用寿命。

2、本发明适用于各种横截面形状的待加工管道，具有适用范围广的特点，显著提高了对管道内壁进行激光熔覆的可操作性。

3、本发明采用直铺熔覆方式，同步进行散热和除烟操作，可以有效避免部分管道温度急剧升高，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，成品率高，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，促使熔覆层具有高温抗腐蚀性能，同时，熔覆层具有良好的抗氧化、抗冲击和抗热疲劳性能。

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是本发明的直铺熔覆方式示意图；

图2是本发明的铜加速乙酸盐雾试验中试样的实验结果图。

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)将所述待加工管道1固定在工装上，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；

(3)采用同步送粉方式，所述激光头沿着待加工管道1的主轴方向自待加工管道1的一端运动到另一端，完成一次进给运动；

(4)所述激光头沿着待加工管道1的主轴方向复位，进行下一次进给运动；

(5)重复进行步骤(4)，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：0.9份、W：4.0份、Ni：1.0份、Co：60.8份、Fe：0.3份、Cr：26.1份、Si：1.1份。

所述待加工管道1横截面为圆形，其长度为2m，采用直铺熔覆方式，在其内壁熔覆合金粉末的具体方法为：

(1)所述工装带动待加工管道1围绕待加工管道1的主轴旋转，在所述激光头沿待加工管道1的主轴方向的一个进给运动中，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；

(2)所述激光头沿待加工管道1的主轴方向复位，并在第N道熔覆条2的侧面，自所述待加工管道1的一端搭接熔覆到另一端，形成第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％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工管道1的内壁完全覆盖，得到熔覆层；

(4)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为0.5mm，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，其线速度为540mm/min，功率为7500W，步距为5mm，送粉速度为15g/min，载流气体量为1L/min，所述工装旋转与激光器的步距移动同步，且所述工装旋转幅度与激光器的步距移动幅度相同。

在所述熔覆过程中，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，所述冷气源的压强为5bar，输出冷空气温度为8℃，进气量为0.7m³/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：0.9-1.2份、W：4.0-4.2份、Ni：1.0-3.0份、Co：60.8-66.6份、Fe：0.3-1.0份、Cr：26.1-28.5份、Si：1.1-1.3份。

所述待加工管道1的长度为3m，所述待加工管道1横截面为正方形，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道1的主轴方向的一个进给运动中，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1.6mm；

(2)所述激光头沿待加工管道1的主轴方向复位，并在第N道熔覆条2的侧面，自所述待加工管道1的一端搭接熔覆到另一端，形成第N+1道熔覆条3，其单边厚度为1.6mm，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为45％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(4)所述工装带动待加工管道1旋转，促使激光头位于相邻的另一平面的内壁处；

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

(6)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为1.2mm，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600mm/min，功率为7700W，步距为7mm，送粉速度为18g/min，载流气体量为3.5L/min，所述冷气源的压强为12bar，输出冷空气温度为5℃，进气量为1.0m³/min。

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：1.2份、W：4.2份、Ni：3.0份、Co：66.6份、Fe：1.0份、Cr：28.5份、Si：1.3份。

所述待加工管道1的长度为2.5m，所述待加工管道1横截面为正六边形，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工管道1的主轴方向的一个进给运动中，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2mm；

(2)所述激光头沿待加工管道1的主轴方向复位，并在第N道熔覆条2的侧面，自所述待加工管道1的一端搭接熔覆到另一端，形成第N+1道熔覆条3，其单边厚度为2mm，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(4)所述工装带动待加工管道1旋转，促使激光头位于与之对称的另一平面的内壁处；

(5)重复进行步骤(1)-(3)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(6)所述工装带动待加工管道1旋转，促使激光头位于与之相邻的另一平面的内壁处，重复进行步骤(1)-(3)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(7)重复进行步骤(4)-(6)，直至熔覆条将所述待加工管道1的内壁完全覆盖，得到熔覆层；

(8)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为1.3mm，保留在所述待加工管道1内壁的熔覆层单层厚度为0.7mm。

本实施例中，选用光纤激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为17mm*3mm，激光器的线速度为720mm/min，功率为8000W，步距为8.5mm，送粉速度为20g/min，载流气体量为5L/min，所述冷气源的压强为20bar，输出冷空气温度为0℃，进气量为1.2m³/min。

另外，在所述直铺熔覆方式中，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：

取一段存在腐蚀现象的横截面为正方形的管道，其边长为600mm，其长度为3m，其材质均为X70，采用本发明实施例二所述的熔覆方法进行修复，在修复后的成品上取60mm×60mm的试样。

对所述试样进行625h的铜加速乙酸盐雾试验(CASS试验)，实验结果如图2所示.

由图2中可以看出：试样表面未出现腐蚀现象，所述试样通过检测。

对比实验二：

取对比实验一所得的试样，标记为试样一，在对比实验一中所述正方形的管道基体上取60mm×60mm的试样二，分别经80目砂轮、600目砂纸打磨平整后，分别使用HRS-150A型数显洛氏硬度计，对所述两者表面进行硬度检测。

在所述两者表面取五个检测区域，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	30HRC	29HRC	29.5HRC	28HRC	28.5HRC
试样二	23HRC	23.5HRC	23.5HRC	24HRC	23.5HRC

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，所述试样一的五个检测区域的硬度平均值较为接近，说明各处耐磨性能相近。

在五个检测区域中，所述试样一的硬度平均值均稍高于所述试样二的硬度平均值，说明采用本发明所述的熔覆方法进行修复的管道内壁，其耐磨性能优于管道基体的耐磨性能，且所述两者的硬度范围均为20-30HRC，易于加工。

由以上实验结果可以得出：采用本发明所述的熔覆方法进行修复的管道内壁，具有较高的耐腐蚀性能，且各处硬度相近，具有较高的耐磨损性能。

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直铺熔覆。

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：所述待加工管道的横截面为圆形或多边形。

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：所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将所述待加工管道固定在工装上，将激光头置于待加工管道内部，并且激光头在待加工管道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；

(2)采用同步送粉方式，所述激光头沿着待加工管道的主轴方向自待加工管道的一端运动到另一端，完成一次进给运动；

(3)所述激光头沿着待加工管道的主轴方向复位，进行下一次进给运动；

(4)重复进行步骤(3)，在待加工管道的内壁熔覆合金粉末，得到熔覆层。

5.根据权利要求4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。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述待加工管道的横截面为圆形时，其熔覆方法为：

(1)所述工装带动待加工管道围绕待加工管道的主轴旋转，在所述激光头沿待加工管道的主轴方向的一个进给运动中，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)所述激光头沿待加工管道的主轴方向复位，并在第N道熔覆条的侧面，自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，形成第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。

7.根据权利要求6所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述工装旋转与激光器的步距移动同步，且所述工装旋转幅度与激光器的步距移动幅度相同。

8.根据权利要求2-5任意一项所述的一种管道内壁的熔覆方法，其特征在于：所述待加工管道的横截面为多边形时，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)所述激光头沿待加工管道的主轴方向复位，并在第N道熔覆条的侧面，自所述待加工管道的一端搭接熔覆到另一端，形成第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)，直至熔覆条将同一平面的内壁完全覆盖；

(4)所述工装带动待加工管道旋转，促使激光头位于另一平面的内壁处；

(5)重复进行步骤(1)-(4)，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。

9.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：激光器的线速度为540-720mm/min，功率为7500-8000W，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，送粉速度为15-20g/min，载流气体量为1-5L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm。

10.根据权利要求9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：0.9-1.2份、W：4.0-4.2份、Ni：1.0-3.0份、Co：60.8-66.6份、Fe：0.3-1.0份、Cr：26.1-28.5份、Si：1.1-1.3份。