CN108220858A - 一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法,所述工艺通过可移动并可精确定位的高能微弧型喷枪小车，在管道内自由灵活地移动、升降和摆动，实现管道内三维方向上定位，以镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极，在一定流量惰性气体保护下，对管道内表面多种形状损伤部位进行强化再制造，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，修复后的涂层材料具备良好的耐蚀性、高硬度等优点，从而解决了金属管道内壁修复困难的问题，操作简单，效率高，对环境友好。

Description

一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法
技术领域
本发明涉及金属管道内壁损伤修复强化技术领域,尤其是一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，特别适用于内径大于15cmm的304SS和316L不锈钢管道内表面损伤处的强化再制造。
背景技术
在人们日常生产生活的各个方面都需要利用金属管道来进行运输某些物质。据统计数据表明，管道已成为继铁路、公路、水路、航空运输之后的第五大运输工具，然而，在一些大型石油天然气输送管道应用中，面临老化、锈蚀、断裂等问题，不仅造成能源浪费、经济损失，甚至对生命也造成不可预料的威胁，可见对于管道寿命的延长以及对已损坏的管道进行修复再利用，就成为非常迫切并且十分重要的事情。但是管道其四周一般都为封闭状态，并非开放式的工作环境，所以，许多只能在开放式的环境下实施的金属防护以及表面处理技术，根本无法适用于较小的管道密闭空间，例如表面渗氮、电镀、化学镀等技术很难现场对管道内部实施修复，而且现有某些表面涂层技术也无法达到基体与涂层的结合强度，涂层涂覆到基体上无法达到预期性能指标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法,以解决在施加涂层时由于所需设备过于庞大笨重而无法适应管道内部特殊环境下损伤部位的修复问题，克服利用现有的涂层涂覆技术在涂覆时无法保证涂层与基体具有良好结合强度的缺点，并专门针对内径大于15cm的304SS和316L不锈钢管道内部，开发出专用的镍基合金材料并提供了完善的强化再制造工艺，从而实现了304SS和316L不锈钢管道内壁损伤部位的强化再制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，具有以下步骤：
a：制作电极棒：电极棒的各原料组分如下：Mo为15.5～16.5at％,Cr为6.5～7.5at％，Fe为3.5～4.5at％,Si为0.55～0.65at％,Mn为0.45～0.55at％,Ti+Al+Ta为1.5～2.5at％，其余为Ni，采用真空电弧熔炼的方法熔炼后，将电极棒置于800℃氩气气氛中热保温处理48小时，对电极棒表面进行处理；
b：管道内表面损伤处预处理：先采用喷砂方式对管道内表面损伤处进行喷砂处理后再用丙酮清洗，除去损伤部位的杂质和油污；
c：管道内表面损伤处强化再制造：首先用接在电源负极的磁铁吸附在管道内表面确定好的损伤处附近，距离控制在10～15厘米；然后将处理好的镍基合金材料制成的电极棒置于喷枪的喷头内，将安装有高能微弧喷枪的喷枪小车开动到待修复的管道损伤处，启动喷枪，同时使喷枪在管道截面范围内作摆动，以电极棒作为正极，金属管道作为负极，对管道损伤处进行涂层沉积强化处理。
优选地，步骤a中，制作电极棒的各原料组分如下：Mo含量为16at％,Cr含量为7at％，Fe含量为4at％,Si含量为0.6at％,Mn含量为0.5at％,Ti+Al+Ta含量为2at％，其余为Ni，先采用真空电弧熔炼的方法获得镍基合金材料，然后将镍基合金材料加工成直径3～5mm、长度为80mm的电极棒，用400目砂纸将电极棒表面打磨平整后，用丙酮清洗除油、水洗并用冷风吹干以备用。
为更好地提高沉积效果，步骤b中，喷砂前，先使用超声波无损检测系统确定管道内部需要强化再制造位置，然后利用管道内壁喷砂器对损伤部位进行喷砂处理，除去损伤部位的杂质和油污，并利用抽风机产生的负压把磨料回收到料斗里，实现喷砂的循环利用。
步骤c中所述的喷枪小车具体结构如下：包括车架和安装在车架两端的车轮，车架上方设有水平轴，水平轴上安装有可绕水平轴摆动的喷枪，水平轴与车架之间安装有升降调节喷枪高度的压力传感器，水平轴的两端分别安装有利用分规原理实现开合的支架，所述支架顶端安装有滚轮，沉积时，首先通过压力传感器升降调节喷枪，使喷枪的喷头顶端位置与管道内表面待修复处达到满足施加涂层的距离，再调节水平轴两端利用分规原理开合的支架，使支架顶端的滚轮与管道内表面接触，将喷枪小车支撑在管道周壁；然后将喷枪小车开动到待修复部位，启动喷枪，同时喷枪绕水平轴在管道截面内作摆动，以电极棒作为正极，金属管道作为负极，从而对管道内表面待修复部位进行涂层沉积强化。
进一步地，为实现喷枪绕水平轴摆动，所述的车架上安装有可随喷枪高度调节而调整位置的可控电机，可控电机输出轴上安装有主动齿轮，喷枪侧面安装有与主动齿轮啮合传动而实现喷枪绕水平轴摆动的从动齿轮。
参数的合理选用对沉积质量影响较大，为此步骤c涂层沉积强化时选用工艺参数为：沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下设定沉积时间3～5min：沉积电压为70～90V；电流脉宽为200～400μs；频率为400～600Hz；电极旋转速度为1500～3500r/min，占空比为10％，最终获得的涂层厚度在30～80μm之间。
同时，步骤c中，涂层沉积强化时辅助以流速在200～1000ml/min的惰性气体，使涂覆材料在沉积过程中可以完全隔绝氧气。
最后在涂层沉积强化结束后，进行机械打磨和砂纸打磨抛光，消除表面缺陷，提升表面平整和光洁度。
本发明的有益效果是：本发明适用于内径大于15cm的304SS和316L不锈钢管道内部损伤部位的修复，其通过可移动并可精确定位的高能微弧型喷枪小车，在管道内自由灵活地移动、升降和摆动，实现管道内三维方向上定位，以镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极，对管道内表面多种形状损伤部位进行强化再制造，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，修复后的涂层材料具备良好的耐蚀性、高硬度等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述喷枪小车的结构示意图。
图中：1.车架 2.车轮 3.水平轴 4.喷枪 5.压力传感器 6.支架 7.滚轮 8.可控电机 9.主动齿轮 10.从动齿轮
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，用于对内径大于15cm的304SS或316L不锈钢管道内壁损伤部位进行强化再制造，其通过安装在管道内可移动的喷枪小车上的喷枪4对金属管道内表面损伤处进行涂层沉积强化。
如图1所示，所述的喷枪小车，包括车架1和安装在车架1两端的车轮2，车架1上方设有水平轴3，水平轴3上安装有可绕水平轴3摆动的喷枪4，所述水平轴3与车架1之间安装有升降调节喷枪4高度的两个压力传感器5，所述压力传感器5位于喷枪4两侧设置，以满足多种口径(直径大于15厘米)金属类管道的强化再制造；所述水平轴3的两端分别转动连接有利用分规原理实现开合的支架6，所述支架6顶端安装有滚轮7，以减少喷枪小车运动中对管壁造成的摩擦而带来的二次损伤，所述车架1上还安装有可随喷枪4高度调节而调整位置的可控电机8，可控电机8输出轴上安装有主动齿轮9，喷枪4侧面安装有与主动齿轮9啮合传动而实现喷枪4绕水平轴3摆动的从动齿轮10，所述可控电机8可通过整流器调节流过其交流电的电流方向，从而控制主动齿轮9与从动齿轮10的单方向转动，并且可以由整流方向的改变实现使喷枪4可以沿着水平轴3为中心来回往复摆动。
所述强化再制造的工艺方法，具有以下步骤：
a：制作电极棒：制作电极棒的各原料组分如下：Mo含量为16at％,Cr含量为7at％，Fe含量为4at％,Si含量为0.6at％,Mn含量为0.5at％,Ti+Al+Ta含量为2at％，其余为Ni，首先采用真空电弧熔炼的方法熔炼获得镍基合金材料，将镍基合金材料置于800℃氩气气氛中热保温处理48小时，对镍基合金材料表面进行处理；然后将镍基合金材料加工成直径3～5mm、长度为80mm的电极棒，用400目砂纸将电极棒表面打磨平整后，用丙酮清洗除油、水洗并用冷风吹干以备用；
b：管道内表面损伤处预处理：先采用喷砂方式对管道内表面损伤处进行喷砂处理后再用丙酮清洗，除去损伤部位的杂质和油污；其中为更好地提高沉积效果，喷砂前，先使用超声波无损检测系统确定管道内部需要强化再制造位置，然后利用管道内壁喷砂器对损伤部位进行喷砂处理，除去损伤部位的杂质和油污，并利用抽风机产生的负压把磨料回收到料斗里，实现喷砂的循环利用；
c：管道内表面损伤处强化再制造：首先用接在电源负极的磁铁吸附在管道内表面确定好的损伤处附近，距离控制在10～15厘米；然后将处理好的镍基合金材料制成的电极棒置于喷枪4的喷头内，并通过压力传感器5升降调节喷枪4高度，使喷枪4的喷头顶端位置与管道内表面待修复处达到满足施加涂层的距离；再调节水平轴3两端利用分规原理开合的支架6，使支架6顶端的滚轮7与管道内表面接触，将喷枪小车支撑在管道周壁，确保在喷枪4工作时不至于因为小车的晃动而导致喷涂位置的不精确；通过遥控装置控制，将安装有高能微弧型喷枪4的喷枪小车在管道内部向预定的待修复处移动，小车到达待修复位置后，启动喷枪4，同时在可控电机8驱动下喷枪4绕水平轴3在管道截面范围内作摆动，以置于喷头内的电极棒作为正极，金属管道作为负极，对管道损伤处进行涂层沉积强化处理，从而在管道损伤处形成镍基合金材料涂层。
上述沉积强化时选用工艺参数为：沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下沉积时间3～5min：设定沉积电压为70～90V；电流脉宽为200～400μs；频率为400～600Hz；电极旋转速度为1500～3500r/min，占空比为10％，最终获得的涂层厚度在30～80μm之间。
同时，涂层沉积强化时辅助以流速在200～1000ml/min的惰性气体，使涂覆材料在沉积过程中可以完全隔绝氧气，此处的惰性气体可优先选用氩气。
涂层沉积强化结束后，进行机械打磨和砂纸打磨抛光，消除表面缺陷，提升表面平整和光洁度，从而使得管道内表面强化处具备高耐磨和耐蚀性，能更好应用于管道内壁苛刻环境。
实施例1：沉积强化时选用工艺参数为：将处理好的镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极，辅助以流速在200～1000ml/min的氩气气流，使涂覆材料在沉积过程可以完全隔绝氧气，保证涂层强化质量。沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下，沉积时间3min，设定沉积电压为70V，电流脉宽为300μs，频率为400Hz，电极旋转速度为1500r/min，占空比为10％，获得的涂层厚度为35μm。
实施例2：沉积强化时选用工艺参数为：将处理好的镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极。辅助以流速在200～1000ml/min的氩气气流，使涂覆材料在沉积过程可以完全隔绝氧气，保证涂层强化质量。沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下，沉积时间4min，设定沉积电压为80V，电流脉宽为300μs，频率为500Hz，电极旋转速度为2000r/min，占空比为10％，获得的涂层厚度为55μm。
实施例3：沉积强化时选用工艺参数为：将处理好的镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极，辅助以流速在200～1000ml/min的氩气气流，使涂覆材料在沉积过程可以完全隔绝氧气，保证涂层强化质量。沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下，沉积时间5min，设定沉积电压为90V，电流脉宽为400μs，频率为600Hz，电极旋转速度为3500r/min，占空比为10％，获得的涂层厚度为80μm。
本发明适用于内径大于15cm的304SS和316L不锈钢管道内部损伤部位的修复，其通过可移动并可精确定位的高能微弧型喷枪小车，在管道内自由灵活地移动、升降和摆动，实现管道内三维方向上定位，以镍基合金材料制成的电极棒作为正极，金属管道作为负极，对管道内表面多种形状损伤部位进行强化再制造，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，修复后的涂层材料具备良好的耐蚀性、高硬度等优点。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：具有以下步骤：
a：制作电极棒：电极棒的各原料组分如下：Mo为15.5～16.5at％,Cr为6.5～7.5at％，Fe为3.5～4.5at％,Si为0.55～0.65at％,Mn为0.45～0.55at％,Ti+Al+Ta为1.5～2.5at％，其余为Ni，采用真空电弧熔炼的方法熔炼后，将电极棒置于800℃氩气气氛中热保温处理48小时，对电极棒表面进行处理；
b：管道内表面损伤处预处理：先采用喷砂方式对管道内表面损伤处进行喷砂处理后再用丙酮清洗，除去损伤部位的杂质和油污；
c：管道内表面损伤处强化再制造：首先用接在电源负极的磁铁吸附在管道内表面确定好的损伤处附近，距离控制在10～15厘米；然后将处理好的镍基合金材料制成的电极棒置于喷枪的喷头内，将安装有高能微弧喷枪的喷枪小车开动到待修复的管道损伤处，启动喷枪，同时使喷枪在管道截面范围内作摆动，以电极棒作为正极，金属管道作为负极，对管道损伤处进行涂层沉积强化处理。
2.根据权利要求1所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：步骤a中，制作电极棒的各原料组分如下：Mo含量为16at％,Cr含量为7at％，Fe含量为4at％,Si含量为0.6at％,Mn含量为0.5at％,Ti+Al+Ta含量为2at％，其余为Ni，先采用真空电弧熔炼的方法获得镍基合金材料，然后将镍基合金材料加工成直径3～5mm、长度为80mm的电极棒，用400目砂纸将电极棒表面打磨平整后，用丙酮清洗除油、水洗并用冷风吹干以备用。
3.根据权利要求1所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：步骤b中，喷砂前，先使用超声波无损检测系统确定管道内部需要强化再制造位置，然后利用管道内壁喷砂器对损伤部位进行喷砂处理，除去损伤部位的杂质和油污，并利用抽风机产生的负压把磨料回收到料斗里，实现喷砂的循环利用。
4.根据权利要求1所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：步骤c中所述的喷枪小车：包括车架和安装在车架两端的车轮，车架上方设有水平轴，水平轴上安装有可绕水平轴摆动的喷枪，水平轴与车架之间安装有升降调节喷枪高度的压力传感器，水平轴的两端分别安装有利用分规原理实现开合的支架，所述支架顶端安装有滚轮，首先通过压力传感器升降调节喷枪，使喷枪的喷头顶端位置与管道内表面待修复处达到满足施加涂层的距离，再调节水平轴两端利用分规原理开合的支架，使支架顶端的滚轮与管道内表面接触，将喷枪小车支撑在管道周壁；然后将喷枪小车开动到待修复部位，启动喷枪，同时喷枪绕水平轴在管道截面内作摆动，从而对管道内表面待修复部位进行涂层沉积强化。
5.根据权利要求4所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：所述的车架上安装有可随喷枪高度调节而调整位置的可控电机，可控电机输出轴上安装有主动齿轮，喷枪侧面安装有与主动齿轮啮合传动而实现喷枪绕水平轴摆动的从动齿轮。
6.根据权利要求4所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：步骤c涂层沉积强化时选用工艺参数为：沉积电源选用单向脉冲电源，先设计额定的沉积功率为1500W前提下沉积时间3～5min：设定沉积电压为70～90V；电流脉宽为200～400μs；频率为400～600Hz；电极旋转速度为1500～3500r/min，占空比为10％，最终获得的涂层厚度在30～80μm之间。
7.根据权利要求4所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：步骤c中，涂层沉积强化时辅助以流速在200～1000ml/min的惰性气体，使涂覆材料在沉积过程中可以完全隔绝氧气。
8.根据权利要求4所述的对金属管道内表面损伤处强化再制造的工艺方法，其特征是：涂层沉积强化结束后，进行机械打磨和砂纸打磨抛光，消除表面缺陷，提升表面平整和光洁度。
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