CN111702410B - 一种钝性金属材料表面阻垢方法 - Google Patents

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Abstract

一种钝性金属材料表面阻垢方法，包括以下步骤；首先对试样进行表面除油处理；其次进行超声表面滚压加工；最后，实施滚压表面保护，使其维持加工状态进入服役使用。本发明阻垢效果良好、成本较低、制备简单，并能很好地克服传统结垢方法存在的成本高、繁琐、部分污染严重等缺点。

Description

一种钝性金属材料表面阻垢方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理应用技术领域，特别涉及一种钝性金属材料表面阻垢方法。
背景技术
由金属材料组成的石油管线、换热器、锅炉等设备在服役期间，其表面难免会发生结垢现象。这主要是因为金属设备在使用过程中，因介质温度、压力、组分等的变化打破了原先的物质平衡，使得成垢离子通过结晶作用产生晶粒，并在长时间的积累下生长成污垢。一般而言，污垢组成中主要以CaCO3垢为主，同时还混有MgCO3、CaSO4、MgSO4等。金属设备表面出现结垢后，如果不及时进行清理，则会带来一系列问题，比如：油田集输管线出现生垢现象后，在长时间不清垢的情况下，污垢会慢慢堆积形成一定厚度的垢层附着在管壁，造成管道有效面积明显减小，使得管线运输效率大大降低、运输成本增加，另外，还可能会伴随着腐蚀发生，严重时还会造成管线穿孔，给人们的生命及财产带来不可估量的损失。因此，寻求经济、实用的金属表面阻垢技术对于相关工业生产顺利进行以及技术发展十分重要。
目前，国内外用于金属表面阻垢的技术主要包括：(1)化学阻垢法，即根据具体的使用环境选择相应的阻垢剂来除垢，但该方法对环境不友好、局限性强，且操作流程繁琐；(2)物理阻垢法，主要是采用电、磁、声波辐射等手段使管壁或设备上的结晶沉淀物脱落，一般包括超声波法、高频电磁法、辐射处理法、磁场法和催化处理法，但该方法防护效果容易受材料、设备和环境等因素所影响，且成本较高；(3)机械阻垢法，一般是通过清管器进行机械除垢，但这一方法容易对金属表面造成损伤，且防护周期较短、成本高；(4)选材防护法，利用特殊合金材料的电化学催化作用，可在体系内产生极化效应，避免出现聚合现象，减缓和防止污垢在管线沉积，但该方法研发成本较高，技术尚不成熟；(5)涂层防护法，目前人们大多利用有机涂层或镀层对金属表面进行处理，从而获得具有阻垢功能的涂层材料，但有机涂层的附着力、硬度和耐蚀性往往较差，涂层性能也难以达标。综上所述，无论采用哪种阻垢方法，都会妨碍正常生产，耗费大量人力、物力以及财力。因此，寻求更为实用、经济的阻垢技术来有效抑制金属材料表面结垢，对于企业降本增效具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钝性金属材料表面阻垢方法，该方法阻垢效果良好、成本较低、制备简单、经济实用，能很好地克服传统结垢方法存在的成本高、繁琐、部分污染严重等缺点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种钝性金属材料表面阻垢方法，包括以下步骤；
首先对试样进行表面除油；
其次进行超声表面滚压加工；
最后，实施滚压表面保护，使其维持加工状态进入服役使用。
所述的除油处理具体为，将试样放入有机溶剂丙酮或KF201金属清洗剂溶液中进行超声清洗，去除表面的油污，最后，再使用去离子水漂洗，暖风烘干、备用。
所述的试样为316L不锈钢。
所述的超声表面滚压加工具体为，将经除油处理后的316L不锈钢固定在机床上，然后设置超声滚压加工的工艺参数，主要参数为：加工线速度2～5m/min，步距0.04～0.1mm，压力0.8～1.2MPa，气动滚珠，滚压1～5次，然后，启动电源开关，对316L不锈钢表面进行可控超声滚压处理，经超声滚压处理后的316L不锈钢表面可达到镜面效果，再将其进行超声波清洗洁净，最后用去离子水清洗，烘干、备用。所述的除油处理为使用化学除油或溶剂除油，辅以超声波可强化除油处理效果，以保障后续滚压效果的一致性。
所述的滚压表面保护具体为通过试样上覆塑料布或牛皮纸保护。
本发明的有益效果：
本发明金属材料表面经超声表面滚压加工技术处理后，阻垢效果明显，有效地克服了传统阻垢处理方法存在的成本高、繁琐、部分污染严重等弊端，在石油石化、交通运输、电力通讯等行业具有广阔应用前景。
附图说明
图1是超声滚压处理前316L不锈钢表面的电子扫描显微镜照片。
图2是超声滚压处理后316L不锈钢表面的电子扫描显微镜照片。
图3是超声滚压处理前316L不锈钢表面与水滴的接触角照片。
图4是超声滚压处理后316L不锈钢表面与水滴的接触角照片。
图5是超声滚压处理前316L不锈钢表面生垢的微观形貌照片。
图6是超声滚压处理后316L不锈钢表面生垢的微观形貌照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明具体实施方式中所涉及的预处理如下：
试样放入有机溶剂丙酮或金属清洗剂中进行超声清洗，去除表面的油污与杂质。最后，再使用去离子水清洗，烘干、备用。
待除油处理完毕后，具体的表面加工步骤如下：
首先，将除油处理完毕的316L不锈钢固定在机床上，然后设置超声滚压加工的工艺参数，主要参数为：加工线速度2m/min，步距0.08mm，压力1MPa，气动滚珠，滚压5次。然后，启动电源开关，对316L不锈钢表面进行超声滚压处理。经超声滚压处理后的316L不锈钢表面可达到镜面效果，再将其用丙酮与无水乙醇溶液进行超声清洗，最后用去离子水清洗，烘干、备用。
经上述处理后，在316L不锈钢表面获得一层阻垢的强化层，加工前后试样表面形貌如图1图2所示。且由图1图2可知，超声滚压处理使得原本粗糙且存在缺陷的316L不锈钢表面变得光滑、平整，这会减少材料表面垢晶附着的概率。另外，超声滚压处理前后316L不锈钢与去离子水的接触角和表面能分别为100.18°、32.37mJ·m-2和108.23°、23.49mJ·m-2，如图3图4所示。可见，经超声滚压处理后的316L不锈钢，其接触角增大、表面能降低，这将增加含垢晶体生核的难度，降低污垢生成的数量。
具体的阻垢测试步骤如下：
测试所用结垢液的制备方法为：①用精度为0.0001g的电子天平称取1.68g/LNaHCO3和2g/L CaCl2，分别放入干净的烧杯中，并加入去离子水；②等两种溶质完全溶解后，将CaCl2溶液倒入NaHCO3溶液中，静置。
测试在恒温水浴锅中进行，通过挂片法来沉积污垢。其中，实验温度设置为60℃，沉积时间为72h，共进行三次平行实验。试验结束后，将试样从装置中取出，待试样彻底烘干后，再使用精度为0.00001g分析天平称量出阻垢前后试样的质量，并计算出平均生垢量和阻垢率。
阻垢率＝(未加工试样的生垢量-加工后试样的生垢量)/未加工试样的生垢量×100％
测试结果，未经加工的316L不锈钢平均单位面积生垢量为0.35g/m2，而经超声滚压处理后的316L不锈钢平均单位面积生垢量为1.32g/m2，阻垢率高达73.48％，这说超声滚压处理技术能够防止316L不锈钢表面生垢。图5图6是超声滚压处理前后316L不锈钢表面生垢的微观图像。从中可以看出，与未加工的试样相比，经超声滚压处理后的316L不锈钢表面的污垢数量大大降低，这与阻垢测试结果一致。本发明提供的管线钢阻垢效果优于市面上的绝大部分涂层。
图1图2为316L不锈钢经超声滚压处理前后的表面形貌，从图中可知加工前的316L不锈钢表面缺陷较多，而经超声滚压处理后的316L不锈钢缺陷明显被挤压平整，从而获得了光滑的表面，这是因为在超声滚压过程中，滚珠在静压力和冲击力的联合作用下，在试样表面产生“消峰填谷”的作用，所以加工表面变得光滑平整，这将会减少含垢晶体在其表面的附着；
从图3图4可以看出加工后的316L不锈钢的接触角增大、疏水性增强，另外表面能降低，这将增加含垢晶体在其表面的生核难度，降低垢晶的生成；
图5图6中，经超声滚压处理的316L表面的CaCO3污垢数量较未加工的316L不锈钢表面明显减少，说明超声滚压处理技术能够有效地对以316L不锈钢为代表的金属材料表面进行阻垢表面改性。
本发明针对实用、经济的阻垢技术开发，考虑目前已有的涂层技术，存在保护特性受制于涂层的保护性能以及涂层与基底的结合两方面的约束，但涂层表面改性是对基底金属表面性能的增强，为此，提出利用新兴表面塑性形变改性技术超声滚压方法，通过超声表面滚压处理技术对金属材料表面进行加工，借助超声滚压装置的超声振动与静压的联合作用，使试样表层产生一定程度的塑性变形，发生“消峰填谷”效应，从而可显著地提高材料的光洁度。对于钝性金属可实现表面能降低，接触角增大，使得含垢晶体生核的难度增大，以此达到阻垢的目的。
采用超声表面滚压技术对钝性金属表面进行加工，赋予表面适宜的完整性，使其接触角增大、表面能降低，从而增加成垢生核难度，减少了水垢生成量，达到阻垢的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种钝性金属材料表面阻垢方法，其特征在于，包括以下步骤；
首先对试样316L不锈钢表面进行除油处理；
其次进行超声表面滚压加工；
最后，实施滚压表面保护，使其维持加工状态进入服役使用；
所述的除油处理具体为，将试样放入有机溶剂丙酮或KF201金属清洗剂溶液中进行超声清洗，去除表面的油污，最后，再使用去离子水漂洗，暖风烘干、备用；
所述的超声表面滚压加工具体为，将除油处理完毕的316L不锈钢固定在机床上，然后设置超声滚压加工的工艺参数，主要参数为：加工线速度2～5 m/min，步距0.04～0.1 mm，压力0.8～1.2 MPa，气动滚珠，滚压1~5次，然后，启动电源开关，对316L不锈钢表面进行可控超声滚压处理，经超声滚压处理后的316L不锈钢表面可达到镜面效果，再将其进行超声波清洗洁净，最后用去离子水清洗，烘干、备用。
2.根据权利要求1所述的一种钝性金属材料表面阻垢方法，其特征在于，所述的滚压表面保护具体为通过试样上覆塑料布或牛皮纸保护。
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