CN113464732A - 一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法 - Google Patents

一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法，替代现有技术中的镍管及其制备方法，用于高含硫化氢天然气(大于等于15％)和高含碳酸(大于等于10％)油田采出液的管道输送，解决现有镍管在高碳酸环境下易造成腐蚀、破裂的缺陷，以提高管道安全性能、降低采、输成本和环保风险；为达到上述目的，本发明的解决方法是提供一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，包括：低碳钢基管，所述低碳钢基管的管身内壁，由外向内依次设有高镍合金层和金属陶瓷层；所述低碳钢基管的管端处的内壁设有镍基堆焊层。

Description

一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法
技术领域
本发明涉及管道输送领域，尤其涉及一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法。
背景技术
在我国油气资源中，含H2S和CO2的天然气田约占探明储量的25％，其中硫化氢具有很强的毒性和很强的腐蚀性，在与金属管道接触过程中会发生电化学反应，其阴极析出氢原子，并且因为硫化氢自身的特点，会阻止氢原子合成氢分子，造成氢原子无法排出，只能进入管道金属组织中，使金属组织发生硫化物开裂和氢致开裂现象；其中碳酸根与氢结合形成的高酸性凝析水具有较强的腐蚀性，也有抑制人类中枢神经的麻痹作用，且会造成人类中毒缺氧现象，因此，输送高含H2S和CO2的天然气的金属管道极易开裂，存在严重的安全环保风险；
针对上述情况，国内一般采用825镍基合金管和P110SS抗硫钢管作为有套管，采用G3高镍基合金作为油管，采用2250镍基合金管作为单井管线，以上管线价格昂贵，甚至需要进口，大幅度增加了油气开采成本；
采用内覆镍基合金的钢管能够降低天然气的采输成本，但目前的镍基复合钢管受工艺技术限制，一般长度较短，较难应用于高含硫化氢和碳酸的天然气管道输送；
国内外现有很多技术试图通过激光或中频感应，将镍基合金粉末熔敷在钢管内壁，制造成镍基复合钢管，以取代纯镍管，但受工艺技术限制，在熔敷过程中无法避免钢管内壁高镍层中的碳化物或氧化物夹杂，即无法避免氢原子通过碳化物或氧化物缝隙侵入低碳钢基管，其中激光熔敷层较薄，难以满足使用要求。
CN100432010C公开了一种多层陶瓷内衬复合管及其制备方法，是一种以金属间化合物和钛化物为陶瓷内衬复合钢管及其制备方法属于梯度复合材料的技术领域，本发明克服了采用离心自蔓延燃烧法制备陶瓷内衬复合管时陶瓷层与金属层为机械结合结构和力学性能不高的缺点。其特征在于是在钢管内填充混合的反应原料粉末并固定在旋转机构上，当转速达到1500～2000rpm时，用点火器点燃反应原料并使之形成高温自蔓延反应；高温反应合成的反应物按照不同密度在钢管内壁形成层状内衬层；合成的内衬层结构沿径向依次为钢管—金属间化合物—钛化物陶瓷—氧化铝陶瓷，但这种复合管在面对含有H2S和CO2的天然气，尤其是高碳酸含量的流体时，仍然存在开裂风险。
CN104197114A，公开了一种外敷玻璃纤维树脂增强保护层的油气输送管道用复合钢管。以传统管线钢管为基管，将浸润树脂的高强玻璃纤维缠绕到管线钢基管外表面作为高强玻璃纤维增强树脂层，从而形成一种内层为管线钢、外层为玻璃钢的全新复合管材，这种钢管虽然外部能防止腐蚀，但其内层钢材还是容易和天然气中的硫化氢反应导致管材开裂。
因此，有针对性的对管道输送领域提供一种具有抗硫化氢和碳酸腐蚀、耐磨、防结垢的特点的钢管，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属镍基陶瓷三层复合钢管及其制备方法，替代现有技术中的镍管及其制备方法，用于高含硫化氢天然气(大于等于15％)和高含碳酸(大于等于10％)油田采出液的管道输送，解决现有镍管在高碳酸环境下易造成腐蚀、破裂的缺陷，以提高管道安全性能、降低采、输成本和环保风险。
为达到上述目的，本发明的解决方法是提供一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，包括：低碳钢基管，所述低碳钢基管的管身内壁，由外向内依次设有高镍合金层和金属陶瓷层；所述低碳钢基管的管端处的内壁设有镍基堆焊层。
进一步的，所述低碳钢基管的管端处设有坡口。
进一步的，所述镍基堆焊层的厚度在2.5mm以上。
进一步的，所述高镍合金层的厚度在1.0～2.0mm之间。
进一步的，所述镍基堆焊层在所述低碳钢基管的管端处的内壁500mm区域内。
进一步的，所述高镍合金层的制备方法：旋转装置中频感应加热低碳钢基管至200-1250℃，内壁热喷涂、熔敷镍基粉末，继续旋转空冷至300℃以下，形成高镍熔敷层；所述高镍熔敷层在铝热反应产生的高温下二次熔化、还原形成高镍合金层，所述高镍合金层具有抗硫化氢、抗碳酸腐蚀的作用。
进一步的，所述金属陶瓷层的制备方法：内壁表面高镍熔敷层在高速旋转的同时，通过与事先置入的铝热反应剂发生自蔓延铝热反应，形成三氧化二铝熔融金属，高速旋转的转速范围为300-4500r/min，继续旋转空冷至300℃以下，基于离心重力分布于靠近回转轴心，固化形成金属陶瓷层，所述金属陶瓷层具有吸附硫化氢、耐磨、耐腐蚀、防结垢的作用。
一种金属镍基陶瓷三层复合钢管的制备方法，包括：
101：制备自熔性镍基合金粉末和铝热反应剂；
102：管端内壁堆焊镍基堆焊层：清理打磨低碳钢基管管端内壁，并在管端内壁500mm区域内通过TIG方法多层堆焊,空冷至300℃以下形成镍基堆焊层；
103：对低碳钢基管内壁进行除锈，将钢管内壁的杂物清理干净；
104：低碳钢基管内壁通过中频感应加热喷涂镍基粉末、重熔形成高镍熔敷层；
105：待钢管冷却后，在钢管内装入铝热反应剂；
106：在高镍熔敷层之上的铝热反应：将装有铝热反应剂的钢管置于离心机中，在钢管被离心机带动高速旋转的同时，点燃铝热反应剂，铝热反应剂由钢管一端向另一端蔓延燃烧，发生氧化还原反应并产生高温，由自熔性镍基粉末形成的高镍熔敷层被二次熔化，与被还原的镍、硅成分熔为一体，最后在低碳钢基管内壁形成致密的高镍合金层，在内表面形成三氧化二铝金属陶瓷层；
107：钢管完全冷却检验合格后，对管端内壁和坡口进行机械加工，制造过程完成。
进一步地，所述自熔性镍基合金粉末中，C含量：≤0.3％、Cr含量：5-18％、B含量：≤5、Fe含量：≤5％、Si≤4.5％。
进一步地，所述铝热反应剂中，单质Al含量：≥85％、SiO2含量：≤15％。
本发明的有益效果：
1、本发明所提供的一种金属陶瓷镍基三层复合钢管具有抗硫化氢或碳酸天然气腐蚀、耐磨和防结垢的特点，可以替代价格昂贵的镍基、钛基等贵金属管材，降低管道建设、输送成本和安全环保风险；
2、本发明通过对制备工艺的改进，特别是内壁和坡口进行机械加工，降低复合管管道对接焊接施工难度，保证焊缝质量；
3、本发明所提供的一种金属陶瓷镍基三层复合钢管相对于有机复合材料防腐管道，适用于更高温度(不低于350℃)的腐蚀介质环境。
附图说明
图1是本发明提供的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管示意图；
如图所述，1-1低碳钢基管，1-2高镍合金层，1-3坡口，1-4金属陶瓷层，1-5镍基堆焊层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，包括：低碳钢基管1-1，所述低碳钢基管1-1的管身内壁，由外向内依次设有高镍合金层1-2和金属陶瓷层1-4；所述低碳钢基管1-1的管端处的内壁设有镍基堆焊层1-5；进一步的，所述低碳钢基管1-1的管端处设有坡口1-3；所述镍基堆焊层1-5的厚度在3mm，所述高镍合金层1-2的厚度在1.5mm。
实施例2
所述高镍合金层1-2的制备方法：旋转装置中频感应加热低碳钢基管1-1至200-1250℃内壁热喷涂、熔敷镍基粉末，继续旋转空冷至300℃以下，形成高镍熔敷层，所述高镍熔敷层在铝热反应产生的高温下二次熔化、还原形成高镍合金层1-2，所述高镍合金层1-2具有抗硫化氢、抗碳酸腐蚀的作用。
所述金属陶瓷层1-4的制备方法：内壁表面高镍熔敷层在高速旋转的同时，通过与事先置入的铝热反应剂发生自蔓延铝热反应，形成三氧化二铝熔融金属，继续旋转空冷至300℃以下，基于离心重力分布于靠近回转轴心，固化形成金属陶瓷层1-4，所述金属陶瓷层1-4具有吸附硫化氢、耐磨、耐腐蚀、防结垢的作用，在反应过程中同时起到清除高镍层中碳化物和氧化物夹杂的作用，以保证高镍层的致密性。
实施例3
一种金属镍基陶瓷三层复合钢管的制备方法：
101：制备自熔性镍基合金粉末(C含量：≤0.3％、Cr含量：5-18％、B含量：≤5、Fe含量：≤5％、Si≤4.5％。)和铝热反应剂(Al含量：≥85％、SiO2含量：≤15％)，所述自熔性镍基合金粉末成分包括镍、硼、硅等元素，控制粉末熔点不超过1100℃，所述铝热反应剂包括金属铝粉料、氧化镍粉料、三氧化二铬粉料、氧化硅粉料等；
102：管端内壁堆焊镍基堆焊层1-5：清理打磨低碳钢基管1-1管端内壁，并在管端内壁500mm区域内通过TIG方法多层堆焊，空冷至300℃以下形成镍基堆焊层1-5，所述镍基堆焊层1-5厚度大于2.5mm；
103：对低碳钢基管1-1内壁进行激光或风砂除锈，将钢管内壁的杂物清理干净；
104：低碳钢基管1-1内壁通过中频感应加热喷涂镍基粉末、重熔形成高镍熔敷层：在向钢管内均匀送入自熔性镍基合金粉末的同时，钢管均匀旋转前行并同时通过中频感应加热，使粉末熔化并在低碳钢基管1-1内壁流平，形成高镍熔敷层；
105：待钢管冷却后，在钢管内装入铝热反应剂；
106：在高镍熔敷层之上的铝热反应：将装有铝热反应剂的钢管置于离心机中，在钢管被离心机带动高速旋转的同时，点燃铝热反应剂，铝热反应剂由钢管一端向另一端蔓延燃烧，发生氧化还原反应并产生高温，其中铝被氧化生成三氧化二铝，氧化镍和氧化硅等被还原熔融，由自熔性镍基粉末形成的高镍熔敷层被二次熔化，与被还原的镍、硅等成分熔为一体，随着铝热反应过程的逐渐结束，钢管在旋转的离心机中逐渐冷却，由于各成分的比重及离心力的作用，最后在低碳钢基管1-1内壁形成致密的高镍合金层1-2，在内表面形成三氧化二铝金属陶瓷层1-4；
107：钢管完全冷却检验合格后，对管端内壁和坡口1-3进行机械加工，制造过程完成。
本发明的原理在于：
1、镍基合金具有优异的抗硫化氢和碳酸性能，可以替代镍管用于高含硫化氢或碳酸的天然气管道输送；
2、三氧化二铝不与硫化氢或碳酸发生反应，且对于硫化氢具有一定的吸附作用，具有更强的抗硫化氢和抗碳酸性能；
3、在高镍层粉末熔敷过程中无法完全杜绝碳化物和氧化物的夹杂，通过铝热反应予以清除，其具体原理是氧化物被还原熔入高镍合金层1-2、碳化物被完全氧化生成二氧化碳和水蒸气逸出，保证了高镍合金层1-2的致密性；
4、铝热反应是一个氧化还原反应过程，其主要反应式为：
Al+NiO+Cr2O3＝Al2O3+Cr+Ni+836KJ/mol(836千焦每摩尔)，其中镍、铬还原与粉末熔敷层熔融在钢管内壁形成高镍合金层1-2，铝燃烧氧化放热形成三氧化二铝陶瓷层沉积在高镍合金层1-2表面形成金属陶瓷层1-4。通过添加的氧化硅控制燃烧速度，形成自蔓延燃烧合成过程；
5、单纯采用自蔓延铝热反应也可以在低碳钢基管1-1内壁形成镍基合金沉积层，但自蔓延铝热反应速度较快，容易在高镍层中出现漏点，所以需要首先采用自熔性镍基合金粉末在低碳钢基管1-1内壁熔敷高镍熔敷层，该高镍熔敷层的熔点较低，在铝热反应过程中被再次熔化，与被还原的元素熔合形成致密的高镍合金层1-2。
6、由于自熔性镍基合金粉末的熔点较低(不高于1100℃)，而用于管道对接焊接的焊材熔点较高(约1500℃)，管道对接焊接难度较大，管端内壁镍基堆焊层1-5的熔点与对接用焊材相同，可以降低管道对接焊接施工难度；
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于，包括：低碳钢基管(1-1)，所述低碳钢基管(1-1)的管身内壁，由外向内依次设有高镍合金层(1-2)和金属陶瓷层(1-4)；所述低碳钢基管(1-1)的管端处的内壁设有镍基堆焊层(1-5)。
2.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于,所述低碳钢基管(1-1)的管端处设有坡口(1-3)。
3.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于,所述镍基堆焊层(1-5)的厚度在2.5mm以上。
4.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于,所述高镍合金层(1-2)的厚度在1.0～2.0mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于,所述镍基堆焊层(1-5)在所述低碳钢基管(1-1)的管端处的内壁500mm区域内。
6.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于，所述高镍合金层(1-2)的制备方法：旋转装置中频感应加热低碳钢基管(1-1)至200-1250℃，内壁热喷涂、熔敷镍基粉末，继续旋转空冷至300℃以下，形成高镍熔敷层；所述高镍熔敷层在铝热反应产生的高温下二次熔化、还原形成高镍合金层(1-2)，所述高镍合金层(1-2)具有抗硫化氢、抗碳酸腐蚀的作用。
7.根据权利要求1所述的一种金属镍基陶瓷三层复合钢管，其特征在于,所述金属陶瓷层(1-4)的制备方法：内壁表面高镍熔敷层在高速旋转的同时，通过与事先置入的铝热反应剂发生自蔓延铝热反应，形成三氧化二铝熔融金属，高速旋转的转速范围为300-4500r/min，继续旋转空冷至300℃以下，基于离心重力分布于靠近回转轴心，固化形成金属陶瓷层(1-4)，所述金属陶瓷层(1-4)具有吸附硫化氢、耐磨、耐腐蚀、防结垢的作用。
8.一种权利要求1-7任一项所述的金属镍基陶瓷三层复合钢管制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
101：制备自熔性镍基合金粉末和铝热反应剂；
102：管端内壁堆焊镍基堆焊层(1-5)：清理打磨低碳钢基管(1-1)管端内壁，并在管端内壁500mm区域内通过TIG方法多层堆焊,空冷至300℃以下形成镍基堆焊层(1-5)；
103：对低碳钢基管(1-1)内壁进行除锈，将钢管内壁的杂物清理干净；
104：低碳钢基管(1-1)内壁通过中频感应加热喷涂镍基粉末、重熔形成高镍熔敷层；
105：待钢管冷却后，在钢管内装入铝热反应剂；
106：在高镍熔敷层之上的铝热反应：将装有铝热反应剂的钢管置于离心机中，在钢管被离心机带动高速旋转的同时，点燃铝热反应剂，铝热反应剂由钢管一端向另一端蔓延燃烧，发生氧化还原反应并产生高温，由自熔性镍基粉末形成的高镍熔敷层被二次熔化，与被还原的镍、硅成分熔为一体，最后在低碳钢基管(1-1)内壁形成致密的高镍合金层(1-2)，在内表面形成三氧化二铝金属陶瓷层(1-4)；
107：钢管完全冷却检验合格后，对管端内壁和坡口(1-3)进行机械加工，制造过程完成。
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