CN113106375A - 一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法 - Google Patents
一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法，所述设备包括：前腔、旋转腔、工作腔、尾腔；前腔通过万向连接器连接至旋转腔，旋转腔通过电机输出轴连接至工作腔，工作腔通过转轴连接至尾腔并与尾腔通过滑槽相接触；所述工艺方法包括：超声检测出内壁腐蚀的类型和深度范围，根据检测结果设置激光光束的功率，先对腐蚀区域进行激光清洗，然后设置喷枪的扫描线速度和激光光束的功率，对腐蚀缺陷去除区域进行激光复合冷喷涂高速沉积，以填平腐蚀去除区域；本发明在管道狭小空间内进行内壁腐蚀修复，避免对管道的二次破坏，智能化修复操作，增加管道的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及管道修复技术领域，具体涉及一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法。
背景技术
冷喷涂是一种可以用于零部件修复与再制造的技术，该技术是一种基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的涂层制备方法，它通过将细小粉末颗粒(5-50μm)送入高速气流(300-1200m/s)中，经过拉瓦尔喷嘴加速，在完全固态下高速撞击基体，产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。相对于激光熔覆和热喷涂技术而言，冷喷涂技术由于其低热输入的特性对基体与粉末材料的热影响小，可以避免喷涂粉末发生氧化、烧损、相变以及晶粒长大等现象，制备涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，因此特别适合于制备温度敏感、氧化敏感以及相变敏感材料涂层。
激光修复技术是采用高能量的激光束加热熔化修复层和基体材料，热输入量大，因此容易存在相变、氧化、变形、开裂等热致不良影响。而冷喷涂技术是基于材料高速撞击塑性变形实现沉积的，因为该过程未涉及到材料的熔化，因此可避免激光技术中的热致不良影响，但该技术对材料的塑性变形能力要求较高，特别是低压便携式冷喷涂设备，喷涂材料的范围大大受限。基于激光和冷喷涂技术各自的优势及存在的问题，开发了将激光与冷喷涂相复合的超音速激光沉积技术。
管道是供流体传输的工具，因为流体介质大多有一定的腐蚀性，在传输的过程中会对管道的内壁造成腐蚀，一旦管道被腐蚀穿孔，管道内的流体泄漏，流体输送被中断，而泄漏的流体介质会造成环境污染、火灾等灾害；此外，由于管道口径狭窄，人为修复内壁操作不便，有些管道厚度很薄，传统方法不但不能修复还会造成额外的损坏，激光修复技术温度过高容易导致管壁融化，不适合薄壁管道腐蚀修复，因此急需一种在室温条件即可对管道内壁腐蚀修复的方法及设备。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法，实现对管道腐蚀区进行修复。
本发明的技术方案如下：
一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，所述设备包括：前腔、旋转腔、工作腔、尾腔；前腔通过万向连接器连接至旋转腔，旋转腔通过电机输出轴连接至工作腔，工作腔通过转轴连接至尾腔并与尾腔通过滑槽相接触；
所述前腔包括照明灯、摄像机、液压杆、前轮及附属装置、前轮支撑臂和腔体；所述照明灯提供光源；所述摄像机实时记录管道内复杂的状况；所述液压杆控制前轮支撑臂的张开大小；所述前轮及附属装置包括前轮、前轮电机、前轮变速箱，主要提供管道内壁行驶动力；所述前轮支撑臂用来固定前轮及附属装置，同时与液压杆相连；所述腔体用来装载电源和通信设备；
所述旋转腔内设置有旋转电机，所述旋转电机能够控制工作腔绕电机输出轴旋转；
所述工作腔包括超声发生器、喷涂装置、挡盖和工作腔体；所述超声发生器均匀布设在工作腔体外，用于检测管道内壁腐蚀深度和类型；所述喷涂装置包括转台、机械臂、激光器和喷枪，转台与机械臂组合以实现喷涂装置在管道内壁任意位置的喷涂，激光器为光纤激光器，发射出矩形光斑，喷枪主结构为拉瓦尔喷嘴，喷出粉斑为矩形或者圆形；所述挡盖用于非工作时对喷涂装置的保护；
所述尾腔包括腔体、后轮及附属装置、后轮支撑臂、推动杆和螺杆；所述腔体尾部均布设有滑槽，滑槽内装有伸缩杆和与之相连的铰接器，伸缩杆能在滑槽内伸缩，铰接器与推动杆的一端相连，所述推动杆的另一端与后轮支撑臂铰连；所述后轮及附属装置包括后轮、后轮电机、后轮变速箱，主要为设备前进提供动力；所述螺杆通过转盘与后轮支撑臂铰连，控制后轮支撑臂的张开大小。
本发明设备中，前腔为整个装置的前进部分，可进行移动控制，内有照明设施和拍照传输装置；旋转腔为工作腔提供旋转动力；工作腔为整个装置的核心部分，喷涂装置位于其中；尾腔主要用来对整个装置在管道内行走提供支撑。
本发明设备工作时，打开工作腔的挡盖，喷涂装置在机械臂的作用下伸出工作腔进行工作。
本发明设备中，后轮为齿形轮，在管道内壁复杂的行驶面上可以避免打滑。
本发明设备在遇到障碍时，可以通过控制液压杆实现支撑臂的张开大小进而越过障碍。
利用本发明设备对管道内壁腐蚀进行修复的工艺方法，包括以下步骤：
(1)设备开机自检；
设备自检主要是检查控制系统、移动系统、检测系统和喷涂沉积系统是否运行正常；
(2)根据管道内径大小，调节支撑臂的张开大小；
所述管道一般为输油管道或者地下管道，我国的输油管道直径一般为200～900mm，地下主管道直径一般为90mm或者110mm；
(3)根据喷涂粉末材料，在外面控制设备面板上设置好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉气流速度；
所述喷涂粉末材料例如：氧化铝、氧化铜，粉末粒径范围15～53μm，粉末形状为球形或不规则形状；
设置载气压力范围0.5～5Mpa，载气流量275～320L/min，载气预热温度800℃，送粉气流速度15.5m/s；
载气可以为空气、氮气或氦气，气体通过管道与外界供气瓶相通；
(4)根据超声检测结果得出内壁腐蚀的类型和深度范围；
(5)根据管道内壁腐蚀类型和腐蚀区域的深度，设置相应的激光光束的功率(通常为500～2000W)；
(6)激光光束对腐蚀区域进行激光清洗，消除腐蚀区域表面杂质、油污和氧化膜对沉积涂层的不利影响，然后设置喷枪的扫描线速度(通常为10m/s)和激光光束的功率(通常为500～2000W)，对腐蚀去除区域进行激光复合冷喷涂沉积，来回喷涂进行涂层搭接，填平腐蚀去除区域，完成修复；
激光复合冷喷涂沉积时，激光束光斑与喷涂粉斑重合，对沉积粉末和内壁同步加热软化，辅助冷喷涂，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力；
(7)激光复合冷喷涂沉积修复一个腐蚀缺陷区域后，继续对下一缺陷进行修复。
本发明所提供的一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备及工艺方法，在人工修复不便的情况下，深入管道内部进行修复，同时由于采用的是超音速激光沉积技术，可以避免对管道内壁高温破坏，相较于传统激光高温修复存在的二次破坏问题有很大的改进，同时整个设备智能化操作，实时提供管道内部状况，方便外部操作人员操作。
本发明原理是：在管道内壁腐蚀修复过程中，采用超音速激光沉积技术，利用激光清洗消除腐蚀区域的杂质，减少了内壁表面油污、氧化膜对沉积涂层的不利影响，根据腐蚀区域的厚度和内壁材料性质，设置相应的激光功率，促进涂层与内壁的结合，利用超音速激光沉积技术的特点，实现管道内壁的无损修复。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
(1)本发明是一种无污染的环保型表面修复技术，能够对内壁腐蚀区域定点清除而不损坏其他区域。
(2)本发明没有传统激光修复带来的高温热量的影响，避免了内壁的二次破坏。
(3)本发明能够实现在狭小的管道内部进行智能化操作修复内壁腐蚀损伤。
附图说明
图1为本发明基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备结构示意图；
图2为本发明基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的工作示意图；
图3为本发明基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的管内行走示意图；
图4为本发明基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的修复效果图；
附图标记：1-管道；2-前轮电机；3-前轮变速箱；4-前轮；5-照明灯；6-二级液压杆；7-一级液压杆；8-前轮支撑臂；9-前腔；10-摄像机；11-超声发生器；12-机械臂；13-激光器；14-喷枪；15-万向连接器；16-十字连接件；17-旋转腔；18-工作腔；19-挡盖；20-尾腔；21-伸缩杆；22-铰接器；23-二级推动杆；24-一级推动杆；25-后轮支撑臂；26-后轮；27-螺杆；28-后轮电机；29-后轮变速箱；30-气管。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，所述设备包括：前腔9、旋转腔17、工作腔18、尾腔20；前腔9通过万向连接器15经十字连接件16连接至旋转腔17，旋转腔17通过电机输出轴连接至工作腔18，工作腔18通过转轴连接至尾腔20并与尾腔20通过滑槽相接触；
前腔9包括照明灯5、摄像机10、二级液压杆6、一级液压杆7、前轮4及附属装置、前轮支撑臂8和腔体；照明灯5提供光源；摄像机10实时记录管道内复杂的状况；液压杆6、7控制前轮支撑臂8的张开大小；前轮4及附属装置包括前轮4、前轮电机2、前轮变速箱3，主要提供管道内壁行驶动力；前轮支撑臂8用来固定前轮4及附属装置，同时与液压杆6、7相连；腔体用来装载电源和通信设备；
旋转腔17内设置有旋转电机，旋转电机能够控制工作腔18绕电机输出轴旋转；
工作腔18包括超声发生器11、喷涂装置、挡盖19和工作腔体；超声发生器11均匀布设在工作腔体外，用于检测管道内壁腐蚀深度和类型；喷涂装置包括转台、机械臂12、激光器13和喷枪14，转台与机械臂12组合以实现喷涂装置在管道内壁任意位置的喷涂，激光器13为光纤激光器，发射出矩形光斑，喷枪14主结构为拉瓦尔喷嘴，喷出粉斑为矩形或者圆形；挡盖19用于非工作时对喷涂装置的保护；工作时，喷涂装置载气通过气管30与外界供气瓶相通；
尾腔20包括腔体、后轮26及附属装置、后轮支撑臂25、二级推动杆23、一级推动杆24和螺杆27；腔体尾部均布设有滑槽，滑槽内装有伸缩杆21和与之相连的铰接器22，伸缩杆21能在滑槽内伸缩，铰接器22与推动杆23的一端相连，推动杆24的另一端与后轮支撑臂25铰连；后轮26及附属装置包括后轮26、后轮电机28、后轮变速箱29，主要为设备前进提供动力；螺杆27通过转盘与后轮支撑臂25铰连，控制后轮支撑臂25的张开大小。
利用上述设备对管道内壁腐蚀进行修复的工艺方法，包括以下步骤：
(1)设备开机自行检查控制系统、移动系统、识别系统是否运行正常。
(2)根据管道口径大小调节支撑臂的张开大小，使得移动轮紧贴在管道内壁上；
管道类型为DN50的热轧无缝钢管，外径60mm，壁厚3mm。
(3)打开开关，设备沿着管道前进，同时摄像机记录管道内壁的状态并通过无线传输实时分享给外部操作人员。
(4)超声发生器发射超声波对管壁进行扫描并实时接收反馈信息，信息系统根据反馈信息的不同从而得出腐蚀缺陷类型及深度；
管道中的金属元素吸氧腐蚀生成硫酸亚铁(吸氧腐蚀)；管道金属元素吸收硫元素生成硫酸(硫化氢腐蚀)；深度一般为0.01～4mm。
(5)信息系统根据反馈信息得出缺陷位置并控制机械臂将激光器及喷粉器对准缺陷处，根据腐蚀深度调节激光功率1200W，激光器光束被腐蚀区所吸收，大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体(高度电离的不稳定气体)，产生冲击波，冲击波使污染物变成碎片并被剔除。
(6)喷粉器对因腐蚀缺失区域进行喷涂，同时辅以激光对喷粉前进区域进行表面软化以提高粉末与基体的结合强度，对区域进行来回喷涂进行涂层搭接，最终填平腐蚀缺陷处；
喷涂粉末材料为：氧化铝或者氧化铜，粉末粒径范围15～53μm，粉末形状为球形或不规则形状；
载气为氮气，设置载气压力范围0.5～5Mpa，载气流量275～320L/min，载气预热温度800℃，送粉气流速度15.5m/s；
喷枪的扫描线速度10m/s，激光光束的功率1200W。
(7)最后获得一层与管道内壁粘结牢固、致密耐腐蚀的涂层。
Claims (9)
1.一种基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，其特征在于，所述设备包括：前腔、旋转腔、工作腔、尾腔；前腔通过万向连接器连接至旋转腔，旋转腔通过电机输出轴连接至工作腔，工作腔通过转轴连接至尾腔并与尾腔通过滑槽相接触；
所述前腔包括照明灯、摄像机、液压杆、前轮及附属装置、前轮支撑臂和腔体；所述照明灯提供光源；所述摄像机实时记录管道内复杂的状况；所述液压杆控制前轮支撑臂的张开大小；所述前轮及附属装置包括前轮、前轮电机、前轮变速箱，提供管道内壁行驶动力；所述前轮支撑臂用来固定前轮及附属装置，同时与液压杆相连；所述腔体用来装载电源和通信设备；
所述旋转腔内设置有旋转电机，所述旋转电机能够控制工作腔绕电机输出轴旋转；
所述工作腔包括超声发生器、喷涂装置、挡盖和工作腔体；所述超声发生器均匀布设在工作腔体外，用于检测管道内壁腐蚀深度和类型；所述喷涂装置包括转台、机械臂、激光器和喷枪，转台与机械臂组合以实现喷涂装置在管道内壁任意位置的喷涂；所述挡盖用于非工作时对喷涂装置的保护；
所述尾腔包括腔体、后轮及附属装置、后轮支撑臂、推动杆和螺杆；所述腔体尾部均布设有滑槽，滑槽内装有伸缩杆和与之相连的铰接器，伸缩杆能在滑槽内伸缩，铰接器与推动杆的一端相连，所述推动杆的另一端与后轮支撑臂铰连；所述后轮及附属装置包括后轮、后轮电机、后轮变速箱，为设备前进提供动力；所述螺杆通过转盘与后轮支撑臂铰连，控制后轮支撑臂的张开大小。
2.如权利要求1所述基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，发射出矩形光斑。
3.如权利要求1所述基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，其特征在于，所述喷枪主结构为拉瓦尔喷嘴，喷出粉斑为矩形或者圆形。
4.如权利要求1所述基于超音速激光沉积技术修复管道内壁腐蚀的设备，其特征在于，所述后轮为齿形轮。
5.利用权利要求1所述设备对管道内壁腐蚀进行修复的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括以下步骤：
(1)设备开机自检；
(2)根据管道内径大小，调节支撑臂的张开大小；
(3)根据喷涂粉末材料，在外面控制设备面板上设置好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉气流速度；
(4)根据超声检测结果得出内壁腐蚀的类型和深度范围；
(5)根据管道内壁腐蚀类型和腐蚀区域的深度，设置相应的激光光束的功率；
(6)激光光束对腐蚀区域进行激光清洗，消除腐蚀区域表面杂质、油污和氧化膜对沉积涂层的不利影响，然后设置喷枪的扫描线速度和激光光束的功率，对腐蚀去除区域进行激光复合冷喷涂沉积，激光束光斑与喷涂粉斑重合，来回喷涂进行涂层搭接，填平腐蚀去除区域，完成修复；
(7)激光复合冷喷涂沉积修复一个腐蚀缺陷区域后，继续对下一缺陷进行修复。
6.如权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，步骤(2)中，所述管道为输油管道或者地下管道，输油管道直径为200～900mm，地下主管道直径为90mm或者110mm。
7.如权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，步骤(3)中，所述喷涂粉末材料为氧化铝或氧化铜，粉末粒径范围15～53μm，粉末形状为球形或不规则形状；设置载气压力范围0.5～5Mpa，载气流量275～320L/min，载气预热温度800℃，送粉气流速度15.5m/s；载气为空气、氮气或氦气，气体通过管道与外界供气瓶相通。
8.如权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，步骤(5)中，激光光束的功率范围在500～2000W。
9.如权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，步骤(5)中，设置喷枪的扫描线速度为10m/s，激光光束的功率为500～2000W。
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