CN113883341A

CN113883341A - 一种耐磨耐蚀石油管道及其制备方法

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Publication number: CN113883341A
Application number: CN202111170895.XA
Authority: CN
Inventors: 王宁; 刘可峰; 李丽; 刘宪福; 白雪
Original assignee: Shengli Petroleum Machinery Factory Of Shengli Oil Field Jindao Industrial Co ltd; Shandong University of Technology
Current assignee: Shengli Petroleum Machinery Factory Of Shengli Oil Field Jindao Industrial Co ltd; Shandong University of Technology
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2041-10-08
Also published as: CN113883341B

Abstract

本发明公开了一种耐磨耐蚀石油管道及其制备方法，属于石油管道技术领域，其包括钢管本体，特征在于：所述钢管本体的内壁上自外至内依次设有NiCrAlY层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和聚四氟乙烯层，第一陶瓷层和第二陶瓷层由粒径为32～38μm的Al₂O₃‑13%TiO₂颗粒构成，第一陶瓷层孔隙率≤4%，第二陶瓷层15%≤孔隙率≤20%。此管中第一陶瓷层具有硬度高且致密的特性，能够阻隔管内液体，提高管道的耐磨与耐蚀性，在第一陶瓷层烧结同材质的第二陶瓷层则较第一陶瓷层疏松，一方面与第一陶瓷层具有很高的结合强度，另一方面增大了与聚四氟乙烯层的结合强度，并且与聚四氟乙烯颗粒形成微纳米二元粗糙度结构，易于制得具有疏水特性的微纳结构，提高管体内壁的疏水性，增强耐蚀性能。

Description

一种耐磨耐蚀石油管道及其制备方法

技术领域

本发明属于石油管道技术领域，具体涉及一种耐磨耐蚀石油管道及其制备方法。

背景技术

金属材料由于具有良好的导电性、散热性、强度高以及易加工等优良特性，常被制作成管件广泛应用于各种领域，尤其是油田上。其中钢管由于具有容易取材、制作技术成熟，而具有较高的性价比。但随着石油的不断开采，CO₂驱油技术和高压蒸汽驱油技术的应用，使得石油中具有溶解氧、二氧化碳、硫化物、氯离子等腐蚀介质以及大量的泥砂，已由从原先的高含油量转变为现在的高含水杂质含量高。而钢管的化学性质比较活泼，这就致使钢管容易被石油采出液腐蚀，并且钢管的硬度偏低，容易被磨损，从而缩短了管件的使命寿命，使得石油管道容易发生磨损、腐蚀，甚至造成穿孔后泄漏，给公众和环境带来危害。

因此，伴随着石化发展的需要，急需开发一种新的耐腐蚀耐磨的石油管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨耐蚀石油管道及其制备方法，能够提高管道内壁的硬度及疏水性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：设计一种耐磨耐蚀石油管道，包括钢管本体，其特征在于：所述钢管本体的内壁上自外至内依次设有NiCrAlY层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和聚四氟乙烯层，第一陶瓷层和第二陶瓷层由粒径为32～38μm的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒构成，第一陶瓷层孔隙率≤4%，第二陶瓷层15%≤孔隙率≤20%。

优选的，所述NiCrAlY层由粒径为15～45μm 的NiCrAlY颗粒等离子喷涂成。

优选的，所述NiCrAlY层的厚度为50 μm，第一陶瓷层的150 μm，第二陶瓷层厚度为50 μm，聚四氟乙烯层的厚度为5μm。

本发明还提供了一种制备上述耐磨耐蚀石油管道的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）固定管体：将钢管本体水平固定在转台上，钢管本体以0.2m/s的线速度旋转；

（2）制备NiCrAlY层：在步骤（1）的钢管本体的内壁上等离子喷涂粒径为15～45μm的NiCrAlY颗粒，形成NiCrAlY层，喷涂功率为40 kW，喷涂距离为120 mm，送粉量20 g/min，氩气流量50 L/min，氢气流量5.5 L/min；

（3）制备第一陶瓷层：在步骤（2）制得的NiCrAlY层上等离子喷涂粒径为32～38μm的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒，制得第一陶瓷层；喷涂功率为42 kW，喷涂距离为120 mm，送粉量为25g/min，氩气流量为50 L/min，氢气流量为5.5 L/min，Al₂O₃-13%TiO₂颗粒的平均颗粒粒径为35μm；

（4）制备第二陶瓷层：在步骤（3）制得的第一陶瓷层上等离子喷涂粒径为32～38μm的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒，制得第二陶瓷层；喷涂功率为42 kW，喷涂距离为180 mm，送粉量为20g/min，氩气流量为50 L/min，氢气流量为5.5 L/min，Al₂O₃-13%TiO₂颗粒的平均颗粒粒径为35μm；

（5）配备复合溶液：向质量百分含量为60%的PTFE分散液加入KH550偶联剂得混合溶液，KH550偶联剂在混合溶液中的质量百分含量为1%，然后向混合溶液中加去离子水稀释到PTFE的百分含量为20%，然后超声震荡搅拌15min，搅拌速度为150～200 r/min，之后静置半小时得到PTFE复合溶液；分散液中PTFE颗粒的粒径为170~230 nm，平均粒径为200 nm；

（6）制备聚四氟乙烯层：通过高压喷枪将步骤制得的PTFE复合溶液喷涂在步骤（5）制备的第二陶瓷层上，制得聚四氟乙烯层，喷枪口径1mm，喷幅宽度100mm，喷涂压力为0.3~0.5 MPa，喷涂距离为150 mm；

（7）烧结：将经过步骤（6）处理的钢管本体置于室温下晾2小时，然后在100 ℃鼓风式烘干10 min，再放入烘炉内，45 min内将烘炉由室温逐渐升温至330℃恒温烧结1 h，烘炉缓慢降温至室温，得到耐磨耐蚀的石油管。

优选的，步骤（2）～（4）中，由内孔喷枪进行喷涂。

优选的，步骤（2）～（4）中，喷涂一周后内孔喷枪沿钢管本体的轴向移动距离为10~15mm。

优选的，在步骤（3）和（4）中，管道内温度不超过200 ℃。

优选的，所述NiCrAlY层的厚度为50 μm，第一陶瓷层的厚度为150 μm，第二陶瓷层的厚度为50 μm，聚四氟乙烯层的厚度为5 μm。

优选的，在制备粘结过渡层前还包括预处理的步骤：先用丙酮溶液喷洒在管体内表面，然后对钢管本体内壁进行喷砂粗化处理，钢管本体内壁的表面粗糙度为4~6μm。

优选的，喷砂所用砂粒为60目白刚玉，喷砂压力为0.6 MPa，喷砂距离为150 mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中的第一陶瓷层具有硬度高且致密的特性，能够阻隔管内液体，提高管道的耐磨与耐蚀性，在第一陶瓷层烧结同材质的第二陶瓷层则较第一陶瓷层疏松，孔隙率在15～20%之间，一方面与第一陶瓷层具有很高的结合强度，另一方面增大了与聚四氟乙烯层的结合面积，增大结合强度，并且与聚四氟乙烯颗粒形成微纳米二元粗糙度结构，易于制得具有疏水特性的微纳结构，从而提高管体内壁的疏水性，可使接触角达到155度以上，有效减少油酯污垢的附着与沉积，具有良好的防结垢性能。

2、由于聚四氟乙烯具有化学稳定、耐腐蚀、密封性好以及高润滑的优良特性，能够减小与流体间的摩擦系数，能够减小石油运输的流体阻力，能够对管体形成二次防护，进一步提高管道的耐磨耐蚀性。

3、本发明中NiCrAlY层的热膨胀系数介于钢管与陶瓷层之间，用以缓解和减小两者之间的热膨胀差异；并且NiCrAlY 合金抗热疲劳强度高，塑韧性好，可以吸收掉热喷涂过程产生的部分应力； NiCrAlY 合金在高温环境下还可以形成致密膜层，有效阻止氧气和腐蚀介质透过陶瓷涂层与管道基体接触，从而保护管道基体不被氧化腐蚀，为管体再次增设一道防护屏障。

4、由于PTFE分散液加入了KH550偶联剂，能够增强PTFE分子间的键合，增强PTFE涂层与第二陶瓷层的结合强度。

5、本发明的制备工艺能够提高各层的喷涂质量，使得各层的功用得以充分发挥，真正制得耐磨性好、耐蚀性好的石油管体。

6、本发明的制备方法中不含挥发性溶剂，绿色环保，不危害制作人员健康。

7、本发明通过特定的方式将钢管本体与NiCrAlY层、致密的第一陶瓷层、较疏松的第二陶瓷层和聚四氟乙烯层有效结合在一起，对钢管本体进行层层防护，共同延长石油管道的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为第一陶瓷层截面的扫描电镜图；

图3为第二陶瓷层截面的扫描电镜图；

图4为聚四氟乙烯层表面的扫描电镜图。

图中标记：1、钢管本体；2、NiCrAlY层；3、第一陶瓷层；4、第二陶瓷层；5、聚四氟乙烯层。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明将靠近管体中心的一侧定义为内侧，相应地将远离管体中心的另一侧定义为外侧。

实施例一

本实施例通过以下步骤制得耐磨耐蚀石油管道：

（1）预处理：先采用丙酮溶液喷洒在钢管本体的内壁表面，去除内表面油污；然后采用内孔喷砂枪对钢管本体的内壁进行喷砂粗化处理，砂粒为60目白刚玉，喷砂压力为0.6MPa，喷砂距离为150 mm，喷砂效果以管道内壁表面无氧化层和锈蚀为好。喷砂粗化可以去除钢管本体内表面的氧化层和锈蚀，露出光亮整洁的内表面，保留喷砂的粗糙度，为涂层附着提供良好的粗糙表面，喷砂完成后内表面的粗糙度为5μm之间；

（2）固定管体：即刻将经过步骤（1）处理的钢管本体水平固定在转台上，钢管本体以0.2m/s的线速度旋转，进行下一步的喷涂处理，避免钢管本体的内壁再次被氧化；

（3）制备NiCrAlY层：采用大气等离子喷涂设备制备NiCrAlY层。具体为采用内孔喷枪在步骤（2）中的钢管本体内壁上等离子喷涂NiCrAlY颗粒，其中喷涂功率为40 kW，喷涂距离为120 mm，送粉量为20 g/min，氩气流量为50 L/min，氢气流量为5.5 L/min，喷涂厚度为50 μm，孔隙率低于5%。从钢管本体的一端开始喷涂，每喷涂完一周，内孔喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动12mm，直至整个管道内壁喷涂完成。在上述喷涂的过程中，对钢管本体时刻进行通风冷却，使得钢管本体内表面的温度不超过200 ℃。

（4）制备第一陶瓷层：采用内孔喷枪在步骤（3）制备的NiCrAlY层上等离子喷涂粒径为32～38μm、平均粒径为35μm的的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒，形成隙率低于4%且颗粒熔化良好的第一陶瓷层。其中喷涂功率为42 kW，喷涂距离为120 mm，送粉量为25 g/min，氩气流量为50 L/min，氢气流量为5.5 L/min。从钢管本体的一端开始喷涂，每喷涂完一周，内孔喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动12mm，直至整个管道内壁喷涂完一次。如果一次喷涂厚度不够，可分为几次喷涂，直至第一陶瓷层的厚度达到150 μm。在上述喷涂的过程中，对钢管本体时刻进行通风冷却，使得钢管本体内表面的温度不超过200 ℃。

（5）制备第二陶瓷层：采用内孔喷枪在步骤（4）制备的第一陶瓷层上等离子喷涂粒径为32～38μm、平均粒径为35μm的的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒，形成孔隙率高于15%且低于20%、颗粒熔化良好的第二陶瓷层。其中喷涂功率为42 kW，喷涂距离为180 mm，送粉量为20 g/min，氩气流量为50 L/min，氢气流量为5.5 L/min。仍是从钢管本体的一端开始喷涂，每喷涂完一周，内孔喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动12mm，直至整个管道内壁喷涂完一次。如果一次喷涂厚度不够，可分为几次喷涂，直至第一陶瓷层的厚度达到50 μm。在上述喷涂的过程中，对钢管本体时刻进行通风冷却，使得钢管本体内表面的温度不超过200 ℃。

（6）配备复合溶液：向质量百分含量为60%的PTFE分散液加入KH550偶联剂得混合溶液，KH550偶联剂在混合溶液中的质量百分含量为1%，然后向混合溶液中加去离子水稀释到PTFE的百分含量为20%，然后超声震荡搅拌15min，搅拌速度为175 r/min，之后静置半小时得到PTFE复合溶液；分散液中PTFE颗粒的粒径为170～230 nm，平均粒径为200 nm。

（7）制备聚四氟乙烯层：通过高压喷枪将步骤（6）制得的PTFE复合溶液喷成雾状喷涂覆在步骤（5）制备的第二陶瓷层上，制得聚四氟乙烯层，喷枪口径1mm，喷幅宽度100mm，喷涂压力为0.3~0.5 MPa，喷涂距离为150 mm。从钢管本体的一端开始喷涂，每喷涂完一周，高压喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动12mm，直至整个管道内壁喷涂完，使得喷涂厚度达到5 μm。在上述喷涂的过程中，对钢管本体时刻进行通风冷却，使得钢管本体内表面的温度不超过200 ℃。

（8）烧结：将经过步骤（7）处理的钢管本体置于室温下晾2小时，然后在100 ℃鼓风式烘干10 min，再放入烘炉内，45 min内将烘炉由室温逐渐升温至330℃恒温烧结1 h，烘炉缓慢降温至室温，得到耐磨耐蚀的石油管。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤（1）中，喷砂完成后内表面的粗糙度为4μm之间；

步骤（3）～（5）以及（7）中，每喷涂完一周，内孔喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动10mm，

步骤（6）中，搅拌速度为150 r/min。

其余均同实施例一。

实施例三

本实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤（1）中，喷砂完成后内表面的粗糙度为6μm之间；

步骤（3）～（5）以及（7）中，每喷涂完一周，内孔喷枪沿钢管本体的轴向向另一端移动15mm，

步骤（6）中，搅拌速度为200 r/min。

其余均同实施例一。

经过上述方法制得如图1所示的耐磨耐蚀的石油管，具体为钢管本体1的内壁上自外至内依次设有NiCrAlY层2、第一陶瓷层3、第二陶瓷层4和聚四氟乙烯层5，第一陶瓷层3和第二陶瓷层4由粒径为32～38μm、平均粒径为35μm的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒构成，第一陶瓷层3孔隙率≤4%，第二陶瓷层4的15%≤孔隙率≤20%。NiCrAlY层2由粒径为15～45μm 的NiCrAlY颗粒等离子喷涂成。NiCrAlY层2的厚度为50 μm，第一陶瓷层3的厚度为150 μm，第二陶瓷层4的厚度为50 μm，聚四氟乙烯层5的厚度为5μm。图2为第一陶瓷层截面的扫描电镜图，图3为第二陶瓷层截面的扫描电镜图，图4为聚四氟乙烯层表面的扫描电镜图。可以看出，第一陶瓷层3要比第二陶瓷层致密，且聚四氟乙烯层表面的表面具有均匀且规则的微纳结构。

对上述制得的耐磨耐蚀的石油管随机抽样后进行性能检测，检测的样本数为总数的1/10且不少于10根。其中第一陶瓷层的硬度均在850 HV0.3以上，第二陶瓷层的硬度均在650 HV0.3以上，由NiCrAlY层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和聚四氟乙烯层构成的复合涂层与管道本体的结合强度均在23MPa以上，管道内表面与水的静态接触角均在155度以上，聚四氟乙烯层的内表面经百格刀测试，被去除部分均不超过5%。从而能够大幅提高金属管体的耐磨耐蚀性，为延长其使用寿命奠定基础。

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

1.一种耐磨耐蚀石油管道，包括钢管本体，其特征在于：所述钢管本体的内壁上自外至内依次设有NiCrAlY层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和聚四氟乙烯层，第一陶瓷层和第二陶瓷层由粒径为32～38μm的Al₂O₃-13%TiO₂颗粒构成，第一陶瓷层孔隙率≤4%，第二陶瓷层15%≤孔隙率≤20%。

2.按照权利要求1所述的耐磨耐蚀石油管道，其特征在于：所述NiCrAlY层由粒径为15～45μm 的NiCrAlY颗粒等离子喷涂成。

3.按照权利要求1或2所述的耐磨耐蚀石油管道，其特征在于：所述NiCrAlY层的厚度为50 μm，第一陶瓷层的150 μm，第二陶瓷层厚度为50 μm，聚四氟乙烯层的厚度为5μm。

4.一种耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（2）制备NiCrAlY层：在步骤（1）的钢管本体的内壁上等离子喷涂粒径为15～45μm 的NiCrAlY颗粒，形成NiCrAlY层，喷涂功率为40 kW，喷涂距离为120 mm，送粉量20 g/min，氩气流量50 L/min，氢气流量5.5 L/min；

（5）配备复合溶液：向质量百分含量为60%的PTFE分散液加入KH550偶联剂得混合溶液，KH550偶联剂在混合溶液中的质量百分含量为1%，然后向混合溶液中加去离子水稀释到PTFE在混合溶液中的百分含量为20%，然后超声震荡搅拌15min，搅拌速度为150～200 r/min，之后静置半小时得到PTFE复合溶液；分散液中PTFE颗粒的粒径为170～230 nm，平均粒径为200 nm；

（6）制备聚四氟乙烯层：通过高压喷枪将步骤（5）制得的PTFE复合溶液喷涂在步骤（4）制备的第二陶瓷层上，制得聚四氟乙烯层，喷枪口径1mm，喷幅宽度100mm，喷涂压力为0.3~0.5 MPa，喷涂距离为150 mm；

5.按照权利要求书4所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：步骤（2）～（4）中，由内孔喷枪进行喷涂。

6.按照权利要求书5所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：步骤（2）～（4）中，喷涂一周后内孔喷枪沿钢管本体的轴向移动距离为10~15mm。

7.按照权利要求书4所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：在步骤（3）和（4）中，管道内温度不超过200 ℃。

8.按照权利要求书4所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：所述NiCrAlY层的厚度为50 μm，第一陶瓷层的厚度为150 μm，第二陶瓷层的厚度为50 μm，聚四氟乙烯层的厚度为5 μm。

9.按照权利要求书4至8任一所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：在制备粘结过渡层前还包括预处理的步骤：先用丙酮溶液喷洒在管体内表面，然后对钢管本体内壁进行喷砂粗化处理，钢管本体内壁的表面粗糙度为4~6μm。

10.按照权利要求书9所述的耐磨耐蚀石油管道的制备方法，其特征在于：喷砂所用砂粒为60目白刚玉，喷砂压力为0.6 MPa，喷砂距离为150 mm。