CN107354454A - 一种输油管表面激光合金化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输油管表面激光合金化方法，包括以下步骤：A.对输油管表面进行预处理；B.将预置合金粉末、粘结剂与稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后烘干形成厚度为0.1～0.2mm的涂层；C.用光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为5～6kw，光斑面积为30～40mm2,扫描速度为20～40mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为12～16L/min；D、对完成步骤C的输油管进行检测。本发明能大大提高输油管的耐腐蚀性能和耐磨性能。

Description

一种输油管表面激光合金化方法
技术领域
本发明涉及一种激光合金方法，特别是涉及一种输油管内外表面激光合金化方法。
背景技术
输油管大部分埋藏于地面以下，管内外工况恶劣，极易发生化学反应和物理变化，因而造成管道腐蚀、穿孔而引起系统停输、停产，造成巨额经济损失或泄露事故，引起环境污染、生态破坏和燃烧爆炸，对周围的生命财产造成难以挽回的损失，如何防止输油管的腐蚀破坏已成为原油集输过程中亟待解决的问题，而且研究输油管的防腐技术也是尤为必要和重要的，其是关系埋地输油管的可靠性和使用寿命的关键因素，对延长管道的使用寿命及保证油田的快速高效生产具有重要意义。
目前，输油管大多采用低碳钢无缝钢管、电阻直缝焊接管及螺旋焊管等，防腐措施有阴极保护，沥青玻璃布、树脂玻璃钢、PE包覆、胶带等，这些防腐措施虽然能达到一定的防腐效果，但也存在防腐层较脆弱的问题，在敷设管道的施工过程中易遭破坏，造成防腐效果的急剧下降，而且耐磨性能也较差。
公开号为CN104726873B、公告日为2017.05.10、申请人为陕西天元智能再制造有限公司的中国发明公开了“一种石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法”，包括：一、进行表面气体渗氮处理；二、在电解抛光池中进行表面电解抛光处理；三、在超声波清洗槽中进行表面清洗处理；四、在化学气相沉积设备内进行表面氩离子轰击清洗处理；五、在化学气相沉积设备中气相沉积1-10微米厚的类金刚石薄膜。该发明存在的问题是：其膜层与石油管道之间的结合强度不高，因此耐磨性能并不佳，实际防腐效果也有所下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种输油管表面激光合金化方法，能大大提高输油管的耐腐蚀性能和耐磨性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种输油管表面激光合金化方法，包括以下步骤：
A.对输油管表面进行预处理；
B.将预置合金粉末、粘结剂与稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后烘干形成厚度为0.1～0.2mm的涂层；
C.用光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为5～6kw，光斑面积为30～40mm2,扫描速度为20～40mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为12～16L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行检测。
优选地，本发明所述步骤A中，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干。
优选地，本发明所述步骤B中，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼4～7％，钴3～5％，碳化钨10～15％，铬15～19％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍。
优选地，本发明所述步骤B中，粘结剂为环氧树脂，稀料为环氧稀料。
优选地，本发明所述步骤B中，预置合金粉末、粘结剂、稀料的质量比为35:1:1。
优选地，本发明所述步骤B中，烘干的温度为150℃。
优选地，本发明所述步骤C中，光纤激光器的功率为8kw。
优选地，本发明所述步骤D中，检测包括硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明在输油管表面先预处理，然后将预置合金粉末、粘结剂、稀料混合后在输油管表面形成涂层，再通过激光扫描将涂层形成一层溶解度、结合强度均较高的合金化表层，该合金化表层与输油管基体冶金结合，有效避免了输油管焊接施工过程中对输油管内壁防腐层的破坏，从而大大提高了输油管的耐腐蚀性能和耐磨性能。
2)在预处理步骤中，本发明对输油管进行了偶联剂浸泡处理，能有效提高输油管表面与涂层之间的界面结合强度，从而进一步提高激光扫描形成的合金化表层与输油管之间的结合强度。
3)本发明在预置合金粉末中添加了二氧化锆和氮化钪，这两种成分均有较低的导热系数，能有效提高输油管的耐热性能和耐寒性能，此外，前者还具有极高的硬度和耐磨性，因此能进一步提高输油管的耐磨性能，而后者还能有效提高输油管的冲击韧性。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
输油管表面激光合金化方法：
A.对输油管表面进行预处理，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干；
B.将质量比为35:1:1的预置合金粉末、环氧树脂、环氧稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后150℃烘干形成厚度为0.2mm的涂层，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼4％，钴5％，碳化钨10％，铬15％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍；
C.用功率为8kw的光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为6kw，光斑面积为30mm2,扫描速度为20mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为12L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测，表面硬度大约为55～62HRC，厚度为0.4mm。
实施例2
输油管表面激光合金化方法：
A.对输油管表面进行预处理，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干；
B.将质量比为35:1:1的预置合金粉末、环氧树脂、环氧稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后150℃烘干形成厚度为0.1mm的涂层，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼7％，钴3％，碳化钨15％，铬18％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍；
C.用功率为8kw的光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为5kw，光斑面积为40mm2,扫描速度为40mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为16L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测，表面硬度大约为60～68HRC，厚度为0.3mm。
实施例3
输油管表面激光合金化方法：
A.对输油管表面进行预处理，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干；
B.将质量比为35:1:1的预置合金粉末、环氧树脂、环氧稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后150烘干形成厚度为0.1mm的涂层，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼5％，钴4％，碳化钨14％，铬16％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍；
C.用功率为8kw的光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为5.5kw，光斑面积为35mm2,扫描速度为35mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为14L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测，表面硬度大约为57～64HRC，厚度为0.4mm。
实施例4
输油管表面激光合金化方法：
A.对输油管表面进行预处理，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干；
B.将质量比为35:1:1的预置合金粉末、环氧树脂、环氧稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后150℃烘干形成厚度为0.2mm的涂层，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼6％，钴3.5％，碳化钨12％，铬19％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍；
C.用功率为8kw的光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为6kw，光斑面积为30mm2,扫描速度为30mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为15L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测，表面硬度大约为59～66HRC，厚度为0.3mm。
对比实施例1
与实施例2不同的是步骤A中没有进行铁锆偶联剂处理。
对比实施例2
与实施例2不同的是步骤A中使用的偶联剂为普通硅烷偶联剂。
对比实施例3
与实施例2不同的是预置合金粉末中不包括二氧化锆。
对比实施例4
与实施例2不同的是预置合金粉末中不包括氮化钪。
对照例
对照例是公开号为CN104726873B的中国发明的实施例一。
实验例一：耐腐蚀性能测试
测试在盐雾腐蚀试验箱中进行，采用中性盐雾试验，其中氯化钠溶液的质量分数为5％，pH值为7.0，喷雾压力为120kPa，温度为35℃，喷雾时间为24小时，计算出失重率，失重率＝(测试前重量-测试后重量)/测试前重量×100％，失重率越小耐腐蚀性能越好。测试结果如表1所示：
失重率(％)
实施例1 0.12
实施例2 0.11
实施例3 0.13
实施例4 0.12
对比实施例1 0.12
对比实施例2 0.13
对比实施例3 0.12
对比实施例4 0.13
对照例 0.19
表1
表1显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的失重率均小于对照例，表明耐腐蚀性能很好，其中实施例2的耐腐蚀性能最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，在失重率方面与实施例1-4相当，说明偶联剂处理以及预置合金成分的变化对耐腐蚀性能的影响很小。
实验例二：耐磨性能测试
用万能磨损机进行磨损试验并测试出输油管的摩擦系数，摩擦副材料为GCr15，摩擦载荷为200N，转速为100rpm，温度为25℃，摩擦时间为1小时，摩擦系数越小耐磨性能越好。测试结果如表2所示：
摩擦系数
实施例1 0.089
实施例2 0.086
实施例3 0.088
实施例4 0.090
对比实施例1 0.107
对比实施例2 0.098
对比实施例3 0.100
对比实施例4 0.089
对照例 0.106
表2
表2显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的摩擦系数均小于对照例，表明耐磨性能很好，其中实施例2的耐磨性能最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，其中对比实施例1的摩擦系数最大，说明铁锆偶联剂处理对耐磨性能的提高有较大影响；对比实施例2的摩擦系数小于对比实施例1并大于实施例1-4，说明普通硅烷偶联剂处理对耐磨性能的提高效果不如本发明的铁锆偶联剂；对比实施例3的摩擦系数略大于对比实施例3，说明预置合金粉末中二氧化锆的添加也能对耐磨性能起到一定的提高作用；对比实施例4的摩擦系数则与实施例1-4相当，说明预置合金粉末中氮化钪的添加对耐磨性能的影响很小。
实验例三：结合强度测试
参考CJ/T 136-2007利用万能试验机测试出抽油杆基体与合金化表层(实施例1-4、对比实施例1-4)或膜层(对照例)之间的结合强度，测试结果如表3所示：
表3
表3显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的结合强度均显著高于对照例，实施例2的结合强度最高。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，其中对比实施例1的结合强度最低，说明铁锆偶联剂处理对结合强度的提高有较大影响；对比实施例2的结合强度高于对比实施例1并低于实施例1-4，说明普通硅烷偶联剂处理对结合强度的提高效果不如铁锆偶联剂；对比实施例3、对比实施例4的结合强度与实施例1-4相当，说明预置合金粉末的成分变化对结合强度的影响很小。
实验例四：耐热性能测试
参考SY/T 5324-94测试出油管的视导热系数，将视导热系数分为A到E五个等级，等级越高视导热系数越小，耐热性能则越好，测试结果如表4所示：
表4
表4显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的视导热系数等级均高于对照例两个等级，表明具有较好的耐热性能。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，对比实施例1、对比实施例2的视导热系数等级与实施例1-4相当，说明偶联剂处理和预置合金粉末中成分的变化对耐热性能的影响较小，而对比实施例3、对比实施4的视导热系数等级均低于对实施例1-4一个等级，说明预置合金粉末中二氧化锆和氮化钪的添加对耐热性能均能起到提高作用。
实验例五：耐寒性能测试
测试方法为：用低温氮气对输油管进行低温冷却处理，-40℃恒温处理5小时，测试出拉伸强度下降率，拉伸强度下降率＝(测试前拉伸强度-测试后拉伸强度)/测试前拉伸强度×100％，拉伸强度下降率越小耐寒性能越好，测试结果如表5所示：
拉伸强度下降率(％)
实施例1 4.8
实施例2 4.6
实施例3 5.0
实施例4 5.1
对比实施例1 4.9
对比实施例2 5.0
对比实施例3 6.8
对比实施例4 6.7
对照例 9.4
表5
表5显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的拉伸强度下降率均小于对照例，表明具有较好的耐寒性能，实施例2的耐寒性能最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，对比实施例1、对比实施例2的拉伸强度下降率与实施例1-4相当，说明偶联剂处理和预置合金粉末中成分的变化对耐寒性能的影响较小，而对比实施例3、对比实施4的拉伸强度下降率均大于对实施例1-4，说明预置合金粉末中二氧化锆和氮化钪的添加对耐寒性能均能起到提高作用。
实验例六：冲击韧性测试
测试方法为：参考GB/T 229-2007测试出油管的冲击功，冲击功越大冲击韧性越好，测试结果如表6所示：
冲击功(J)
实施例1 40.3
实施例2 40.6
实施例3 39.7
实施例4 40.0
对比实施例1 40.1
对比实施例2 40.0
对比实施例3 40.3
对比实施例4 33.5
对照例 31.4
表6
表6显示出经过本发明实施例1-4处理后的输油管的冲击功均大于对照例，表明具有较好的冲击韧性，实施例2的冲击韧性最好。对比实施例1-4的部分步骤与实施例2不同，对比实施例1-3的冲击功与实施例1-4相当，说明偶联剂处理、预置合金粉末中二氧化锆的添加对冲击韧性的影响较小，而对比实施4的冲击功低于实施例1-4，说明预置合金粉末中氮化钪的添加对冲击韧性能起到有效的提高作用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.对输油管表面进行预处理；
B.将预置合金粉末、粘结剂与稀料混合后得到均匀的浆料，将浆料均匀喷涂于经过预处理的输油管表面，然后烘干形成厚度为0.1～0.2mm的涂层；
C.用光纤激光器对涂层进行50％搭接扫描形成合金化表层，扫描功率为5～6kw，光斑面积为30～40mm2,扫描速度为20～40mm/s，扫描过程中用氩气保护熔池，氩气流量为12～16L/min；
D、对完成步骤C的输油管进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤A中，预处理过程为：
(1)将氯化铁加入水中，搅拌至完全溶解后加入浓盐酸、甲醇，加热至回流后加入1,2-丙二醇，反应2小时后减压蒸除甲醇，90℃烘干后得到中间产物备用，其中，氯化铁、水、浓盐酸、甲醇、1,2-丙二醇的质量比为5:10:2:10:1；
(2)将氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸混合，加热至75℃后反应40分钟，加入步骤(1)得到的中间产物，保温反应2小时，减压蒸除1,2-丙二醇后得到铁锆偶联剂，其中，氧氯化锆、1,2-丙二醇、甘氨酸、中间产物的质量比为1:14:2:2；
(3)将步骤(2)得到的铁锆偶联剂加入水中，搅拌20小时后得到质量浓度为3％的偶联剂溶液，对输油管表面进行喷砂处理，用丙酮或乙醇超声清洗10分钟，气枪吹干后将输油管加入偶联剂溶液中，室温浸泡20小时后取出，用去离子水清洗3次后90℃烘干。
3.根据权利要求2所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤B中，预置合金粉末的重量百分比组成为：硼4～7％，钴3～5％，碳化钨10～15％，铬15～19％，二氧化锆1％，氮化钪0.5％，其余为镍。
4.根据权利要求3所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤B中，预置合金粉末、粘结剂、稀料的质量比为35:1:1。
5.根据权利要求4所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤B中，粘结剂为环氧树脂，稀料为环氧稀料。
6.根据权利要求5所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤B中，烘干的温度为150℃。
7.根据权利要求6所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤C中，光纤激光器的功率为8kw。
8.根据权利要求7所述的一种输油管表面激光合金化方法，其特征在于：所述步骤D中，检测包括硬度检测、耐腐蚀检测、厚度检测及金相检测。
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