CN117548777A - 管道衬垫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种管道衬垫及其制备方法，属于管道焊接技术领域。该方法先加工金属基体，然后在金属基体表面加工凹槽，再在凹槽表面喷涂纳米陶瓷材料，最终在凹槽表面形成陶瓷涂层。可见，该方法制备的管道衬垫由金属基体和陶瓷涂层组成，相较于陶瓷材料，金属的散热性强，且耐高温，不易受焊接高温影响，因此，将金属材料与陶瓷材料相结合来制备管道衬垫，可以提高焊接质量。

Description

管道衬垫及其制备方法

技术领域

本申请涉及管道焊接技术领域，特别涉及一种管道衬垫及其制备方法。

背景技术

内对口器可以将两根管道进行无间隙对口，是实现管道成形焊接的主要设备，广泛应用于油气管道的现场施工。在进行管道焊接时，使用带衬垫的内对口器，通过涨紧装置使两根管道接口平整，同时衬垫在涨力的作用下贴紧焊缝，以控制焊缝的成型质量，从而提高焊接质量。

相关技术中的衬垫主要为陶瓷材料制成的衬垫。但这种衬垫散热性差，在使用时容易因焊接高温反复影响而出现烧损严重、开裂、剥离、脱落等现象，影响焊接质量。

发明内容

本申请实施例提供了一种管道衬垫及其制备方法，可以提高焊接质量。具体技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种管道衬垫的制备方法，所述方法包括：

加工金属基体，所述金属基体表面为弧形表面，所述弧形表面的弧度与待焊接管道内壁的弧度相同；

在所述金属基体表面加工凹槽；

将所述金属基体预热至100℃-150℃，将纳米陶瓷材料加热至熔融或半熔融状态，在所述凹槽表面以大于音速的速度喷涂所述纳米陶瓷材料；且沿所述凹槽表面以550mm/s-650mm/s的移动速度进行多遍往复连续喷涂，每遍喷涂厚度为0.02mm-0.03mm；直至达到预设涂层厚度，在所述凹槽表面形成陶瓷涂层；

其中，所述金属基体和所述陶瓷涂层组成所述管道衬垫。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

当所述陶瓷涂层损坏时，去除损坏的陶瓷涂层，在所述凹槽表面重新喷涂所述纳米陶瓷材料，得到新的陶瓷涂层。

在另一种可能的实现方式中，所述纳米陶瓷材料包括以下质量分数的组分：60％-70％的镍、18％-25％的铬、7％-13％的铝以及1％-3％的钇。

在另一种可能的实现方式中，所述金属基体的形状为弧面等腰梯形、弧面直角梯形或弧面平行四边形。

在另一种可能的实现方式中，所述金属基体的材料为含氧铜或者铬锆铜。

在另一种可能的实现方式中，所述凹槽的形状为方形、弧形或V形。

在另一种可能的实现方式中，所述凹槽的宽度为20mm-25mm，所述凹槽的深度为0.4mm-0.6mm。

在另一种可能的实现方式中，所述预设涂层厚度为0.2mm-0.3mm。

在另一种可能的实现方式中，在喷涂所述纳米陶瓷材料的过程中，控制所述金属基体的温度不超过200℃。

另一方面，本申请实施例提供了一种管道衬垫，应用于内对口器，所述管道衬垫包括：上述任一项所述的金属基体和陶瓷涂层。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请实施例提供了一种管道衬垫的制备方法，该方法先加工金属基体，然后在金属基体表面加工凹槽，然后在凹槽表面喷涂纳米陶瓷材料，最终在凹槽表面形成陶瓷涂层。可见，该方法制备的管道衬垫由金属基体和陶瓷涂层组成，相较于陶瓷材料，金属的散热性强，且耐高温，不易受焊接高温影响，因此，将金属材料与陶瓷材料相结合来制备管道衬垫，可以提高焊接质量。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种管道衬垫的制备方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的一种金属基体的形状为弧面等腰梯形的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种金属基体的形状为弧面直角梯形的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种金属基体的形状为弧面平行四边形的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种凹槽的形状为方形的示意图；

图6是本申请实施例提供的一种凹槽的形状为弧形的示意图；

图7是本申请实施例提供的一种凹槽的形状为V形的示意图；

图8是本申请实施例提供的一种管道衬垫的示意图；

图9是本申请实施例提供的一种复合衬垫组件的示意图；

图10是本申请实施例提供的一种将复合衬垫组件安装到内对口器上的示意图。

附图标记分别表示：

1-金属基体；

2-陶瓷涂层；

3-凹槽；

4-管道衬垫；

5-弹簧；

6-衬垫导柱；

7-水平位置导柱；

8-分体式底座；

9-垂直位移导柱；

10-前涨紧缸；

11-涨靴；

12-涨杆；

13-复合衬垫组件；

14-螺栓。

具体实施方式

为使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施方式作进一步地详细描述。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任意变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在油气管道施工中，由于管道口径的限制，人员不能进入管道里边进行焊接和清理，只能在管道外面进行单面焊接，加上管道施工基本处于野外工作条件，由此容易造成管道内壁焊缝出现错边、未焊透、大焊瘤等缺陷，严重影响管道焊缝质量。

焊接衬垫技术是实现单面焊双面成形的一种有效技术，在进行单面焊接时，在焊缝背面贴附衬垫，封堵焊件对接处的坡口缝隙，从而约束焊接熔池形态，形成良好的焊缝质量，避免焊缝出现未焊透等缺陷。

相关技术中的衬垫主要有铜衬垫和陶瓷衬垫两种，但这两种衬垫均存在一定的缺点。陶瓷衬垫散热性若，使用时极易因焊接高温反复影响而出现表面烧损严重、开裂、剥离、脱落等现象，影响焊接质量。铜衬垫虽然散热性强，但存在衬垫表面烧损或破损时，不易修复或修复后精度降低，焊接时有焊缝渗铜倾向等缺点。

为有效解决铜衬垫和陶瓷衬垫在油气管道现场焊接应用中存在的问题，本申请提供了一种基于金属与陶瓷的复合衬垫，接下来先介绍一下该衬垫的制备方法。

图1是本申请实施例提供的一种管道衬垫的制备方法的流程图，参见图1，该方法包括：

步骤101：加工金属基体，金属基体表面为弧形表面，弧形表面的弧度与待焊接管道内壁的弧度相同。

在加工金属基体前，先介绍一下金属基体的材料和金属基体的形状。接下来先介绍一下金属基体的材料。

在一种可能的实现方式中，金属基体的材料为含氧铜或铬锆铜。

若金属基体的材料为铬锆铜(CuCrZr)，表明该金属基体是由铜、铬和锆这三种元素组成的合金，铬锆铜中铬的质量分数为0.1％-0.8％，锆的质量分数为0.1％-0.6％，其余为铜。

在本申请实施例中，铬锆铜具有良好的导电性和导热性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高，焊接时电极损耗少，焊接速度快，焊接总成本低。

若金属基体的材料为含氧铜，该含氧铜可以为氧化铜、氧化铝铜或者其他含氧铜材料。其中，氧化铝铜为纳米氧化铝弥散强化铜的简称，氧化铝铜的散热性能好，强度高，耐磨性能好，非常适合作为衬垫的金属基体。

在本申请实施例中，除上述材料外，金属基体的材料还可以为钨铜、纯铜或者其他材料，对此不作具体限定。

下面介绍一下金属基体的形状。

在一种可能的实现方式中，金属基体的形状为弧面等腰梯形、弧面直角梯形或弧面平行四边形。

若金属基体的形状为弧面等腰梯形，参见图2，图2为金属基体的形状为弧面等腰梯形的示意图。

若金属基体的形状为弧面直角梯形，参见图3，图3为金属基体的形状为弧面直角梯形的示意图。

若金属基体的形状为弧面平行四边形，参见图4，图4为金属基体的形状为弧面平行四边形的示意图。

其中，金属基体的形状还可以为其他形状，在本申请实施例中，对此不作具体限定。

在本申请实施例中，金属基体表面为弧形表面，且弧形表面的弧度与待焊接管道内壁的弧度相同，这样管道衬垫可以紧密贴合管道内壁，保证焊接质量，这一点从图2-图4中也可以看出。

另外，金属基体的尺寸可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，金属基体的尺寸与衬垫安装底座相适应。

确定好金属基体的材料、形状以及尺寸后，就可以加工金属基体了。在本申请实施例中，可以通过数控加工机床或者其他设备来加工金属基体。

步骤102：在金属基体表面加工凹槽。

本步骤中，凹槽的形状可以根据需要进行设置并更改，例如，凹槽的形状为方形、弧形或V形。

若凹槽的形状为方形，参见图5，图5为凹槽的形状为方形的示意图。若凹槽的形状为弧形，参见图6，图6为凹槽的形状为弧形的示意图。若凹槽的形状为V形，参见图7，图7为凹槽的形状为V形的示意图。

本步骤中，凹槽的宽度可以根据需要进行设置并更改，例如，凹槽的宽度为20mm-25mm中的任一值，如20mm、22mm或者25mm。

并且，凹槽的深度也可以根据需要进行设置并更改，例如，凹槽的深度为0.4mm-0.6mm中的任一值，如0.4mm、0.5mm或者0.6mm。

本步骤中，也可以通过数控加工机床或者其他设备在金属基体表面加工凹槽，对此不作具体限定。

需要说明的一点是，在加工出凹槽后，可以直接执行步骤103，也可以先对凹槽表面进行清理，去除凹槽表面的杂质，然后再执行步骤103。

若先对凹槽表面进行清理，然后再执行步骤103，该清理方式可以为通过砂纸打磨金属基体表面，或者在金属基体表面喷涂清洁剂，或者先通过砂纸打磨金属基体表面，然后再喷涂清洁剂，这里仅以先通过砂纸打磨，然后再喷涂清洁剂为例进行说明。

在一种可能的实现方式中，清洁剂为环己酮、丙酮和乙醇中的至少一种。在本申请实施例中，对此不作具体限定。

在一种可能的实现方式中，在对凹槽表面进行清理后，可以将金属基体放入钝化液中进行钝化处理，然后对钝化处理后的金属基体进行干燥，在金属基体表面也即凹槽表面彻底干燥后，在凹槽表面喷涂纳米陶瓷材料。

其中，钝化液是能使金属表面呈钝态的溶液，可以在镀层表面形成能阻止金属正常反应的表面状态，提高其抗蚀性，并增加产品美观。在本申请实施例中，钝化液可以根据需要进行配制，对此不作具体限定。

步骤103：将金属基体预热至100℃-150℃，将纳米陶瓷材料加热至熔融或半熔融状态，在凹槽表面以大于音速的速度喷涂纳米陶瓷材料；且沿凹槽表面以550mm/s-650mm/s的移动速度进行多遍往复连续喷涂，每遍喷涂厚度为0.02mm-0.03mm；直至达到预设涂层厚度，在凹槽表面形成陶瓷涂层。

金属基体和陶瓷涂层即组成本申请实施例提供的管道衬垫。

首先介绍一下纳米陶瓷材料的组成。

在一种可能的实现方式中，纳米陶瓷材料包括以下质量分数的组分：60％-70％的镍、18％-25％的铬、7％-13％的铝以及1％-3％的钇。

该实现方式中，各组分可以以氧化物的形式存在，也可以以其他形式存在，对此不作具体限定。

在喷涂前，可以先按照上述各组分的比例来配制纳米陶瓷材料，然后将金属基体预热至100℃-150℃，将纳米陶瓷材料加热至熔融状态或者半熔融状态，以粒子速度达到音速以上的速度在凹槽表面喷涂纳米陶瓷材料。

该实现方式中，可以采用电阻加热、电感应加热或者其他预热方式将金属基体预热至100℃-150℃，对此不作具体限定。并且，将纳米陶瓷材料加热至熔融状态或半熔融状态的方式也可以根据需要进行设置并更改，对此不作具体限定。

在本申请实施例中，在大于音速的基础上，喷涂纳米陶瓷材料的速度可以根据需要进行设置并更改，对此不作具体限定。例如，喷涂速度为350m/s、400m/s或者450m/s。

并且，在喷涂过程中，喷枪沿凹槽表面以550mm/s-650mm/s的移动速度进行多遍往复连续喷涂，每遍喷涂厚度为0.02mm-0.03mm，直至喷涂厚度达到预设涂层厚度，在凹槽表面形成陶瓷涂层。

其中，预设涂层厚度可以根据需要进行设置并更改，在本申请实施例中，仅以预设涂层厚度在0.2mm-0.3mm之间为例进行说明。

在本申请实施例中，喷枪移动的速度在550mm/s-650mm/s之间时，既可以保证喷涂的均匀性，又可以缩短喷涂时间，提高喷涂效率。并且，预设涂层厚度在0.2mm-0.3mm之间时，既可以保证陶瓷涂层的有效覆盖，充分发挥陶瓷涂层的作用，又可以节约制备成本，避免浪费。

需要说明的一点是，本申请实施例提供的纳米陶瓷材料可耐1700℃高温，采用超音速热喷涂工艺喷涂纳米陶瓷材料及封孔处理，可以提高陶瓷涂层的密度，陶瓷涂层表面的抗热性能，降低陶瓷涂层表面粗糙度。

并且，在喷涂纳米陶瓷材料的过程中，控制金属基体的温度不超过200℃，这样可以使纳米陶瓷材料有效附着在金属基体上，形成的陶瓷涂层更加坚固，进而提高后续的焊接质量。

另外，当油气管道进行一定数量钢管的连续对口焊接时，衬垫表面的陶瓷涂层会出现高温烧蚀、烧损等现象，这种情况下，可以对陶瓷涂层进行修复。修复时，先去除损坏的陶瓷涂层，然后在凹槽表面重新喷涂纳米陶瓷材料，得到新的陶瓷涂层，该新的陶瓷涂层与金属基体组成了新的管道衬垫。

可见，本申请实施例提供的管道衬垫在陶瓷涂层损坏时，可以对陶瓷涂层进行修复，这样既可以保证金属基体的循环利用以及陶瓷涂层的可修复性，又可以延长管道衬垫的使用寿命，降低制备成本。并且，相较于单独的铜衬垫以及单独的陶瓷衬垫的使用寿命，每次涂敷陶瓷涂层的使用寿命可提高50％以上。

本申请实施例提供了一种管道衬垫的制备方法，该方法先加工金属基体，然后在金属基体表面加工凹槽，然后在凹槽表面喷涂纳米陶瓷材料，最终在凹槽表面形成陶瓷涂层。可见，该方法制备的管道衬垫由金属基体和陶瓷涂层组成，相较于陶瓷材料，金属的散热性强，且耐高温，不易受焊接高温影响，因此，将金属材料与陶瓷材料相结合来制备管道衬垫，可以提高焊接质量。

图8是本申请实施例提供的一种管道衬垫的示意图，应用于内对口器，采用上述方法制备得到，该管道衬垫4包括：金属基体1和陶瓷涂层2。

该管道衬垫4可以应用于带衬垫内对口器，采用带衬垫内对口器可以进行单面焊双面成形焊接。在进行单面焊接时，衬垫可约束焊接熔池形态、冷却熔滴温度，强制焊缝内部成形，避免焊缝出现未焊透等缺陷，保证焊缝质量。

在按照本申请实施例提供的制备方法制备出管道衬垫4后，可以将该管道衬垫4与弹簧5、衬垫导柱6、水平位置导柱7、分体式底座8、垂直位移导柱9组成复合衬垫组件13，参见图9。

其中，水平位置导柱7主要用于在水平方向上移动管道衬垫4，垂直位移导柱9主要用于在垂直方向上移动管道衬垫4。通过在水平方向和垂直方向上移动管道衬垫4可以使管道衬垫4紧密贴合管道内壁。

在将管道衬垫4与其他组件组合成复合衬垫组件13后，将该复合衬垫组件13与涨靴11、涨杆12固定连接，且在前涨紧缸10的作用下随涨靴11、涨杆12升降，实现对口焊接时的精确组圆及与钢管内壁的紧密贴合，参见图10。图10中仅以金属基体1的形状为弧面等腰梯形为例进行说明，从图10中可以看出：相邻的管道衬垫4交错排列。

其中，该复合衬垫组件13可以通过螺栓14与涨靴11、涨杆12固定连接，也可以通过其他连接方式与涨靴11、涨杆12固定连接，对此不作具体限定。另外，复合衬垫组件13的数量与内对口器涨靴11的数量一致，且安装时一一对应。

在油气管道进行单面焊双面成形焊接时，带衬垫内对口器先进行两根钢管的无间隙坡口组对，此时复合衬垫组件13随涨靴11升起且与钢管内壁井壁贴合，所有复合衬垫组件13沿钢管管口组对位置与钢管内壁贴合形成完整的圆形，以保证单面焊双面成形焊接时的内部成形效果，继而保证焊缝质量。

当复合衬垫的陶瓷涂层2因反复焊接温度影响出现烧损、烧蚀等现象时，需要对陶瓷涂层2进行修复。修复时，先将管道衬垫4的凹槽3内的陶瓷涂层2去除，然后采用上述超音速热喷涂工艺进行重新喷涂，得到新的陶瓷涂层2，然后采用新的陶瓷涂层2继续进行焊接。

可见，本申请实施例提供的基于金属与陶瓷的管道衬垫4，可以有效解决相关技术中的铜衬垫等金属衬垫以及陶瓷衬垫等非金属衬垫在实际应用时出现的各种问题，保证管道衬垫4中金属基体1的循环利用以及陶瓷涂层2的可修复性，降低了管道衬垫4的制作成本。且每次涂敷陶瓷涂层2的使用寿命比单独的铜衬垫以及单独的陶瓷衬垫提高50％以上。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本申请的技术方案，并不用以限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道衬垫的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

加工金属基体，所述金属基体表面为弧形表面，所述弧形表面的弧度与待焊接管道内壁的弧度相同；

在所述金属基体表面加工凹槽；

将所述金属基体预热至100℃-150℃，将纳米陶瓷材料加热至熔融或半熔融状态，在所述凹槽表面以大于音速的速度喷涂所述纳米陶瓷材料；且沿所述凹槽表面以550mm/s-650mm/s的移动速度进行多遍往复连续喷涂，每遍喷涂厚度为0.02mm-0.03mm；直至达到预设涂层厚度，在所述凹槽表面形成陶瓷涂层；

其中，所述金属基体和所述陶瓷涂层组成所述管道衬垫。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述陶瓷涂层损坏时，去除损坏的陶瓷涂层，在所述凹槽表面重新喷涂所述纳米陶瓷材料，得到新的陶瓷涂层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米陶瓷材料包括以下质量分数的组分：60％-70％的镍、18％-25％的铬、7％-13％的铝以及1％-3％的钇。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属基体的形状为弧面等腰梯形、弧面直角梯形或弧面平行四边形。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属基体的材料为含氧铜或者铬锆铜。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽的形状为方形、弧形或V形。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽的宽度为20mm-25mm，所述凹槽的深度为0.4mm-0.6mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设涂层厚度为0.2mm-0.3mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在喷涂所述纳米陶瓷材料的过程中，控制所述金属基体的温度不超过200℃。

10.一种管道衬垫，其特征在于，应用于内对口器，所述管道衬垫包括：权利要求1-9任一项所述的金属基体和陶瓷涂层。