CN111962071A - 一种强化管道弯头耐蚀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强化管道弯头耐蚀性的方法，该方法包括以下步骤：(1)获取管道弯头易腐蚀位置分布数据；(2)在弯头易腐蚀位置进行预处理；(3)在预处理后的位置进行激光熔覆；(4)在激光熔覆后的位置进行机加工，使管道弯头表面精度达标，完成管道弯头耐蚀性的强化。与现有技术相比，本发明具有生成表面平整、冶金结合良好的熔覆层等优点。
Description
技术领域
本发明涉及管道弯头防腐领域，具体涉及一种强化管道弯头耐蚀性的方法。
背景技术
对于油气化工企业，一个机组的每年管道维护更换费用就能达到上百万，而在输送系统中，油气管道弯头是最容易损坏的部件，相对于整体管段的其他部位，弯头所承受的冲蚀和压力更为严重。在管道弯头处，由于流体方向发生改变，导致流体的流速和压力发生突变，瞬时压力冲击力提高，极易产生冲蚀现象，甚至产生穿孔、破裂等事故，危害生产运行安全。为了提高设备可靠性，保证生产运行活动安全进行，寻找加强管道弯头耐蚀性的方法的需求更加迫切。
激光熔覆技术是一种表面改性技术，利用激光发生器发射高能激光束在短时间内将基体表面和预置或同步熔覆材料熔化并快速凝固后形成稀释度极低，与基体紧密结合的熔覆层，显著改善工件表面的耐磨损、耐腐蚀、耐热等特性的工艺方法，从而达到表面改性的目的。
关于管道弯头耐蚀性的应用较多，专利申请CN 201510394620.2，一种具有双陶瓷衬层的耐磨耐蚀管道或管道件及其制备方法，采用混合料粉、造粒、配置浆料、模压成型、制备泡沫前驱体、粘合、磨具中热固化定型、机加工、粘连成型、热解、烧结、复合得成品等一系列步骤制备耐磨耐蚀管道。这种方法虽然提高了管道间的耐腐蚀性能，但其制备过程复杂，涉及步骤繁多，制备成本和工艺难度也比较高。因此在实际应用中难以推广，形成经济效益社会效益。
专利申请CN 201510348142.1，一种高压弯头管件，提供了一种耐压耐腐蚀的管道弯头结构，采用内置一定厚度的耐腐蚀层达到提高管道弯头抗冲蚀的能力。但此专利没有给出明确的制备方式，同时耐腐蚀层覆盖方式相对粗糙，简单归结为“中间厚两边薄”，使管道抗冲蚀能力的到提高但并没有针对性的提高，并且依旧采用耐腐蚀层与基体分别制造，进行合成加工制备管道弯头，步骤繁多不精细。
专利申请CN201710469211.3，一种耐蚀合金复合弯头堆焊工艺，提供了一种自动焊接管道弯头的工艺，通过改变焊接工艺提高产品质量，以提高管道弯头抗流体冲蚀的能力。此方法仅仅从后期焊接成型中，改变传统焊接工艺为自动堆焊方式提高管道弯头抗冲蚀能力。没有从制造耐腐蚀层层面进行管道碗口的抗腐蚀强化，仅仅从后续处理层面上进行强化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种生成表面平整、冶金结合良好的熔覆层的强化管道弯头耐蚀性的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
为改善油气运输管道弯头防冲蚀磨损的问题，可以采用耐磨涂层胶，耐磨修补剂，增加耐磨衬套等方法进行预保护。
发明人发现，铁基合金粉末对多种基材有较好的湿润性，界面结合牢固，能够获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层，有效解决激光熔覆中的剥落问题。最大的优点是来源广泛，价格低廉。利用铁基粉末对管道弯头进行激光熔覆工艺加工，在油气管道弯头内表面薄弱区域制备耐蚀涂层，可以提高弯头的使用寿命降低维护成本，并且克服了传统电镀、化学镀工艺对环境污染大、涂层结合性能差、厚度薄等缺点，具体方案如下：
本发明提供的是一种利用激光熔覆技术强化油气管道弯头表面耐蚀性的方法，对油气管道弯头运用fluent流场分析，预测油气管道弯头冲蚀严重的部位，进行以润湿性好、耐磨性强的铁基合金作为熔覆材料的局部激光熔覆处理，对提高油气管道弯头的抗冲蚀磨损性能，从而延长弯头的使用寿命。
一种强化管道弯头耐蚀性的方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取管道弯头易腐蚀位置分布数据；
(2)在弯头易腐蚀位置进行预处理；
(3)在预处理后的位置进行激光熔覆；
(4)在激光熔覆后的位置进行机加工，使管道弯头表面精度达标，完成管道弯头耐蚀性的强化。
进一步地，步骤(1)的具体步骤为：
(1-1)确定管道弯头各部分实际尺寸，具体包括管径D，弯曲半径R，上下游长度L1，L2；
(1-2)根据测得数据建立弯头三维模型；
(1-3)对弯头模型进行网格划分，设置边界条件，计算稳定性和收敛条件，最后进行数值模拟；
(1-4)分析模拟结果云图，获取管道弯头易腐蚀位置分布数据。
进一步地，所述的预处理包括打磨和/或清洗油污。
进一步地，所述的激光熔覆的厚度为4-6mm。
进一步地，步骤(3)的具体步骤为：
(3-1)将铁基合金粉末铺设在弯头易腐蚀位置；
(3-2)使用激光照射铁基合金粉末，并按一定路径进行扫描，期间采用惰性气体进行保护。利用高能激光束融化基体材料进行表面增材强化。保证加工速度和路径合理分布可以有效提高成型质量。
进一步地，所述的激光照射的功率为2500-2700W。
进一步地，所述的扫描移动速率为13-18mm/s。扫描速度过快超过20mm/s明显出现晶粒生长方向紊乱，速率过小影响加工速度同时实验表明9-12mm/s时熔覆层致密度会降低，因此选用13-18mm/s扫描速度，优选15mm/s。
进一步地，所述的铺设厚度为1.5-2.5mm。
参考图2，为移动路径，在激光功率为2600W左右、扫描速度15mm/s左右下，预置粉末2mm左右，进行第一道激光熔覆时，熔融状态下的熔覆材料在重力和表面张力作用下，向高度和横向扩展，当以搭接率为50％进行第二道激光熔覆时，已成形的熔覆层会融化一部分呈现为液滴状，在表面张力的作用下横向扩展填充在道与道的间隙区域，而新生成的熔覆层则覆盖在已有的熔覆层上，如此往复进行，便生成表面平整、冶金结合良好的熔覆层。防止出现裂孔洞。
曲折路径是运用横向搭接激光熔覆技术，其搭载率直接影响熔覆层表面平整度，影响其硬度耐腐蚀，与基体结合的紧密性，熔覆层上部由细小的树枝晶和胞状晶组成，中部为尺寸均匀细小的柱状晶，下部出现清晰地板状马氏体组织，熔覆层整体组织形态稳定性能最佳。即搭接率为50％，激光扫描中心距为1.5mm，激光功率2600W左右，扫描速度15mm/s左右，铺粉厚度2mm左右的工艺参数组合，进行往复式多道加工，搭接成型图如图9。
进一步地，所述的铁基合金粉末为Fe901，包括以下质量百分含量的元素，C 0.10-0.15％，Si 1.0-1.5％，Mn 0.3-0.7％，Cr 15.0-17.0％，Mo 1.5-1.9％，B 0.005-0.01％，Ni 3.5-4.0％，余量为铁。
进一步地，所述的铁基合金粉末粒度为100-30目。其粒径尺寸范围在60-100μm，将铁基合金粉末置于恒温恒湿箱中存放，使粉末保持一定的湿度，如此即可保证粉末的流动性又不至于过于干燥而产生静电。可以形成表面平整度比较好的表面，其抗腐蚀性硬度都有明显提高。
本发明的方法，采用激光熔覆在基体上直接加工耐腐蚀层的方式，缩减耐腐蚀管到弯头的加工步骤，减少耐腐蚀性料材损耗。并运用有限元软件进行冲蚀模拟分析，寻找各部位冲蚀严重程度关系，进行有针对性的强化。本方法具有工序简单，熔覆料多样，熔覆过程可控，生产环境优越，抗冲蚀强化准确等优点，为管道弯头抗冲蚀加工工艺提供新的选择。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用高能激光束融化基体材料进行表面增材强化。保证加工速度和路径合理分布可以有效提高成型质量；
(2)当以搭接率为50％进行第二道激光熔覆时，已成形的熔覆层会融化一部分呈现为液滴状，在表面张力的作用下横向扩展填充在道与道的间隙区域，而新生成的熔覆层则覆盖在已有的熔覆层上，如此往复进行，便生成表面平整、冶金结合良好的熔覆层，防止出现裂孔洞；
(3)曲折路径是运用横向搭接激光熔覆技术，结合特定的铁基合金粉末，其搭载率直接影响熔覆层表面平整度，影响其硬度耐腐蚀，与基体结合的紧密性，熔覆层上部由细小的树枝晶和胞状晶组成，中部为尺寸均匀细小的柱状晶，下部出现清晰地板状马氏体组织，熔覆层整体组织形态稳定性能最佳。
附图说明
图1为实施例中弯头几何模型图；
图2为实施例中激光扫描路径图；
图3为实施例中预置送粉激光熔覆示意图；
图4为实施例中激光熔覆系统工作原理示意图；
图5为实施例中弯头三维模型网格划分；
图6为实施例中弯头压力云图；
图7为实施例中弯头颗粒轨迹与速度云图；
图8为实施例中弯头不同入口速度下弯头冲蚀率与角度的关系曲线；
图9为实施例中搭接成型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种强化管道弯头耐蚀性的方法，直接在弯头内壁进行激光熔覆，强化抗冲蚀能力，该方法包括以下步骤：
(1)获取管道弯头易腐蚀位置分布数据；
(1-1)确定管道弯头各部分实际尺寸，具体包括管径D＝24cm，弯曲半径R＝36cm，上下游长度L1＝L2＝120cm；
(1-2)使用Pro/e三维软件根据实际测得数据建立弯头三维模型；
(1-3)使用fluent软件对弯头模型进行网格划分，使用有限元软件对弯头模型进行网格划分，找出弯头内表面冲蚀磨损严重区域，以指导实际工件激光熔覆部位的选取，设置边界条件，计算稳定性和收敛条件，最后进行数值模拟；
(1-4)分析模拟结果云图，获取管道弯头易腐蚀位置分布数据，找出冲蚀危险部位，并根据相应严重程度确定熔覆层厚度。
(2)在弯头易腐蚀位置进行预处理，包括对弯头内表面预测冲蚀严重部位进行化学预处理，采用400目的砂纸对所述试样表面进行打磨或利用超声波清洗仪器进行表面清理和去油污处理；
(3)在预处理后的位置进行激光熔覆，进行加工形成厚度为4-6mm熔覆层；
(3-1)将润湿性好、耐磨性强的铁基合金粉末铺设在弯头易腐蚀位置；铺设厚度为2mm，其中，铁基合金粉末为Fe901，包括以下质量百分含量的元素，C 0.10-0.15％，Si 1.0-1.5％，Mn 0.3-0.7％，Cr 15.0-17.0％，Mo 1.5-1.9％，B 0.005-0.01％，Ni 3.5-4.0％，余量为铁。铁基合金粉末粒度为100-30目。其粒径尺寸范围在60-100μm，将铁基合金粉末置于恒温恒湿箱中存放，使粉末保持一定的湿度，如此即可保证粉末的流动性又不至于过于干燥而产生静电。可以形成表面平整度比较好的表面，其抗腐蚀性硬度都有明显提高。
(3-2)利用最高输出功率为3000W的山东能源重装集团有限公司的DLS-3000C型半导体激光器进行激光熔覆铁基合金粉末，并按一定路径进行扫描，期间采用惰性气体进行保护，激光照射的功率为2600W，扫描移动速率为15mm/s，激光扫描中心距为1.5mm。
在激光功率为2600W、扫描速度15mm/s下，预置粉末2mm，进行第一道激光熔覆时，熔融状态下的熔覆材料在重力和表面张力作用下，向高度和横向扩展，当以搭接率为50％进行第二道激光熔覆时，已成形的熔覆层会融化一部分呈现为液滴状，在表面张力的作用下横向扩展填充在道与道的间隙区域，而新生成的熔覆层则覆盖在已有的熔覆层上，如此往复进行，便生成表面平整、冶金结合良好的熔覆层。防止出现裂孔洞。
通过实验不同激光功率下熔覆层上部组织形态无明显差异，均为细小的树枝晶和胞状晶组成，且组织细密，结晶体无明显方向性。这是由于熔覆层表层温度梯度较小，导致未长大的奥氏体转变为细小的马氏体，而马氏体可以提高熔覆层的硬度和耐磨性。当激光功率过小时，熔覆层与基体不能形成良好的冶金结合，而当激光功率过大时会加剧稀释效应、熔覆材料熔化过度而出现烧蚀现象，从而影响熔覆层性能。
(4)在激光熔覆后的位置进行机加工，使管道弯头表面精度达标，完成管道弯头耐蚀性的强化。
通过磨损实验验证对比未加工管件其磨损破坏时间延，结果如下：
磨损销滑动速率为2.6m/s时，磨损量由未经强化处理的9.12mg降低到3.89mg。
磨损销滑动速率为7.8m/s时，磨损量由未经强化处理的15.96mg降低到6.37mg。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获取管道弯头易腐蚀位置分布数据；
(2)在弯头易腐蚀位置进行预处理；
(3)在预处理后的位置进行激光熔覆；
(4)在激光熔覆后的位置进行机加工，使管道弯头表面精度达标，完成管道弯头耐蚀性的强化。
2.根据权利要求1所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：
(1-1)确定管道弯头各部分实际尺寸，具体包括管径D，弯曲半径R，上下游长度L1，L2；
(1-2)根据测得数据建立弯头三维模型；
(1-3)对弯头模型进行网格划分，设置边界条件，计算稳定性和收敛条件，最后进行数值模拟；
(1-4)分析模拟结果云图，获取管道弯头易腐蚀位置分布数据。
3.根据权利要求1所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的预处理包括打磨和/或清洗油污。
4.根据权利要求1所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的激光熔覆的厚度为4-6mm。
5.根据权利要求1所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤为：
(3-1)将铁基合金粉末铺设在弯头易腐蚀位置；
(3-2)使用激光照射铁基合金粉末，并按一定路径进行扫描，期间采用惰性气体进行保护。
6.根据权利要求5所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的激光照射的功率为2500-2700W。
7.根据权利要求5所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的扫描移动速率为13-18mm/s。
8.根据权利要求5所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的铺设厚度为1.5-2.5mm。
9.根据权利要求5所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的铁基合金粉末为Fe901，包括以下质量百分含量的元素，C 0.10-0.15％，Si 1.0-1.5％，Mn 0.3-0.7％，Cr 15.0-17.0％，Mo 1.5-1.9％，B 0.005-0.01％，Ni 3.5-4.0％，余量为铁。
10.根据权利要求5所述的一种强化管道弯头耐蚀性的方法，其特征在于，所述的铁基合金粉末粒度为100-30目。
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| CN117691264A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-12 | 蜂巢能源科技股份有限公司 | 电池壳体、电池外壳及电池 |
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