WO2019201180A1 - 石油管线用球墨铸铁管、其制备工艺及应用 - Google Patents

Abstract

一种石油管线用球墨铸铁管，包括：一端设有插口（12）、另一端设有承口（11）的管体（1）和设于管体内壁上的无机纳米内衬涂层（2）。一种石油管线用球墨铸铁管在石油管线中的应用以及所述石油管线用球墨铸铁管的制备工艺。所述石油管线用管以高韧性球墨铸铁为基材，耐腐蚀能力强、寿命长，无机纳米内衬涂层具有油水脱滑作用，输送石油时内壁不挂蜡、不结块，输送阻力大大降低。所述制备工艺制备的石油管线用球墨铸铁管无渣眼、砂眼、气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷，壁厚均匀、组织致密，气密性好，承压能力高，应用于石油管线的铺设可以提高石油管道的使用寿命，降低石油管线建设和日常维修的综合成本。

Description

石油管线用球墨铸铁管、其制备工艺及应用 技术领域

本发明涉及一种石油管线用球墨铸铁管、其制备工艺及应用。

背景技术

目前世界上采用的石油管线管，均为普通钢板和特制的管线钢钢板卷制、焊接而成的钢管。这些钢管需要先运到输油管道的安装现场后，再一段一段地焊接连接起来，然后再进行焊缝无损检验、试压、防腐蚀处理等，如果石油管线是铺设在冬季寒冷地区，还要加外保温层并对石油进行加热加压输送。目前这些石油管线管存在以下问题：

①钢管的耐腐蚀能力差，特别是耐电腐蚀能力很差，因此管线的设计寿命都不太长，在一些土壤盐度较高的地区，或由于石油中的硫、硫化氢等含量较高、与原油中的水结合成酸加大了对钢管内壁的腐蚀，即使石油管线的钢管采用厚壁钢板焊接，其延长使用寿命的作用也很有限，石油管线管一旦被腐蚀透，就会造成原油泄漏外溢，这不仅会造成资源浪费，还会严重污染周边环境，如果不及时抢修或抢修不当，甚至会引发挥发油气的爆炸，造成严重的人员伤亡事故；

②石油中含有石蜡、胶质和沥青质等粘稠成分，管道输送阻力大，常需要加压输送，且输送过程中这些成分易黏附在石油管道内壁上，久而久之，易造成管道堵塞。此外，当外界温度变低时，低于石油凝固点时，石油由液态凝固为固态，管道的石油输送阻力进一步增大。因此，在冬季寒冷地区，石油管线管需加外保温层，并对石油进行加热加压输送。目前，通常在石油管线用钢管外壁包裹岩棉作为保温层，但钢管外壁包裹的岩棉保温层厚度大，不仅加大了运输成本，还因为岩棉保温层的强度很低，运输和安装过程中易破损而造成损失；

③石油管线的钢管需要运到现场后进行管道连接的焊接、对焊缝逐一进行无损探伤、试压、在现场做管道防腐处理等，不仅操作复杂，现场操作质量的保证难度大，施工周期长，管线工程建设的施工费用很高；

④由于石油管线的钢管安装是逐段焊接、刚性连接的，虽然其具有防止热胀冷缩功能的结构，但是并不具备抵御强地震破坏的能力，特别是经过几年的腐蚀，管壁变薄后，钢管的强度韧性降低，当钢管受到外力的拉伸、挤压、剪切、扭曲和重物砸碰时，很容易破坏甚至断裂。

因此，目前仍急需用一种耐腐蚀能力强、安全性高、施工安装快捷、输油阻力小、保温效果好，并能抵御强地震等地质灾害破坏的新型石油管线用 管。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种石油管线用球墨铸铁管，以解决上述技术问题中的至少一个。

本发明的另一个目的在于提供上述石油管线用球墨铸铁管在石油管线中的应用，以解决上述技术问题中的至少一个。

本发明的另一个目的在于提供上述石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，以解决上述技术问题中的至少一个。

根据本发明的一个方面，提供了一种石油管线用球墨铸铁管，包括：一端设有承口、另一端设有插口的管体和设于管体内壁上的无机纳米内衬涂层。

本发明石油管线用球墨铸铁管管体以高韧性球墨铸铁为基材，耐腐蚀能力强、韧性高、寿命长，并具有抵御强地震等地质灾害的能力，可避免石油管线腐蚀漏油引发的种种事故；石油管线用球墨铸铁管内壁涂覆无机纳米材料制成的无机纳米内衬涂层具有很好的油水脱滑作用，因此，本发明石油管线用球墨铸铁管用于输送石油时，内壁不挂蜡、不结块，输送阻力大大降低，降低了石油加压输送的能耗。

本发明石油管线用球墨铸铁管具有承口和插口，连接时两个相邻球墨铸铁管体之间通过承口和插口连接，采用柔性机械密封接口，且承口和插口的连接处设有耐高温、耐油橡胶材料制成的密封胶圈。本发明石油管线用球墨铸铁管连接时，其接口形式可以是S型机械式密封接口、N ₁型机械式密封接口或S _II型机械式密封接口，连接时，无需现场焊接，安装施工简便快捷，管线铺设施工的速度可显著提高，管线建设和日常维修的综合成本显著降低。此外，柔性机械密封接口密封性能良好，可以使石油管线用球墨铸铁管具有可挠性和良好的伸缩性，因此可以抵抗地震施加给管子的拉伸、挤压、扭曲等外力，增强石油管线用球墨铸铁管道抵御强地震破坏的能力。

本发明所述无机纳米材料是指组成的主体是无机材料、在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，可以是纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝等中的一种或多种。本发明中，无机纳米内衬涂层的制备方法与涂层厚度可以按需设置，涂层厚度优选为5～15μm。

在一些实施方式中，本发明石油管线用球墨铸铁管还可以包括设于管体的外壁上的保温层。由此，当石油管线用球墨铸铁管用于输送石油时，可以防止外界温度降低、石油凝固导致输送阻力增大，同时也可以减少石油加热输送时的热量损失，节省石油加热的能耗。

在一些实施方式中，上述保温层可以为微晶保温层，微晶保温层设于管体的外壁上，厚度优选为10～25mm。微晶保温层由微晶材料制得，厚度可以比岩棉保温层的厚度降低90％左右，从而使管子的运输与安装外径明显缩小，且微晶保温层的强度、硬度高，不易损坏，方便管子的运输与安装；同时微晶材料保温性能好，用于输送石油时，可显著减少石油输送过程的热量损失，节约石油加热的耗能。

本发明所述微晶材料又称微晶玻璃或玻璃陶瓷，是指将加有形晶核剂(个别可不加)的特定组成的基础玻璃，通过控制结晶制成具有一种或多种微晶相和残余玻璃相的复合材料，具有防腐、耐热等优异性能，本发明实施例中，优选以废玻璃、粉煤灰、非金属矿等为主要原料，加入发泡剂、成核剂和外加剂等，经预热、熔融、发泡、析晶、退火等工艺制成的多孔微晶玻璃，即微晶泡沫玻璃。

在一些实施方式中，本发明石油管线用球墨铸铁管还可以包括设于管体的外壁上的锌涂层，且保温层设于管体的锌涂层上，锌涂层厚度优选不小于40μm。由此，可以提高石油管线用球墨铸铁管的防腐蚀能力。

在一些实施方式中，本发明石油管线用球墨铸铁管还可以包括内防护涂层，内防护涂层设于管体的内壁上且位于管体内壁与无机纳米内衬涂层之间，内防护涂层的涂覆材料可以为环氧树脂、聚氨酯或脲醛树脂，涂层厚度可以为45～80μm。由此，可以提高石油管线用球墨铸铁管内壁的防腐蚀能力。

在一些实施方式中，本发明石油管线用球墨铸铁管还可以包括外防护涂层，外防护涂层可以设于锌涂层上且位于锌涂层和保温层之间(即外防护涂层涂覆于锌涂层上，保温层设于外防护涂层上)或涂覆于保温层上且位于保温层外，外防护涂层的涂覆材料可以为沥青漆、环氧沥青漆、聚氨酯或聚脲。由此，可以提高石油管线用球墨铸铁管外壁的防腐蚀能力。对用于热带地区的石油管线球墨铸铁管，其外壁一般不需要设保温层，只需涂覆外防护涂层。

在一些实施方式中，本发明石油管线用球墨铸铁管的承口处可以不具有无机纳米内衬涂层、内防护涂层和/或插口处可以不具有保温层和外防护涂层。由此可以方便相邻石油管线用球墨铸铁管之间连接时，实现无机纳米内衬涂层、内防护涂层、外防护涂层和保温层的连续过渡。

本发明实施例中石油管线用球墨铸铁管连接时优选采用S _II型机械式密封接口，石油管线用球墨铸铁管插口外表面上设置有止退槽，管子连接时，插口插入待连接的石油管线用球墨铸铁管的承口内，插口上设有压兰，压兰通过螺栓和螺母与承口边缘固定连接，承口内表面上设有嵌入槽，嵌入槽内从嵌入槽端口往内依次嵌入有密封胶圈、隔离圈和锁环，压兰的底端压住密封胶圈，锁环的底端压在止退槽上，密封胶圈、隔离圈与锁环组合在一起并 与插入承口的插口部分形成过盈配合。

在一些实施方式中，密封胶圈的制备材料可以是氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶或聚四氟乙烯等耐油橡胶材料。由此，可以延长石油管线的使用寿命。

根据本发明的另一个方面，提供了上述石油管线用球墨铸铁管在石油管线中的应用，具体可以是在石油长输石油管线和油田内部石油管线中的应用。

本发明提供的石油管线用球墨铸铁管与现有石油管线用钢管相比，具有耐腐蚀能力强、韧性高、施工安装快捷、石油输送阻力小、保温性能好等优点，可以应用于铺设输送各类原油的石油长输管线和油田内部石油管线，降低石油管线建设和日常维修的综合成本以及降低石油输送的能耗。

根据本发明的另一个方面，提供了上述石油管线用球墨铸铁管的制备方法，包括如下步骤：

S1、铁液的制备：将炉料熔炼成原铁液并过热至不小于1500℃，根据铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成；

S2、球化处理：利用球化剂对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，并将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉，利用球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度；

S3、涂料热模法离心铸造：对喷涂的绝热涂料已干燥的热管模完成上承口芯后，驱动管模转动，并在管模转动的离心力达到离心力设定值时，将球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液经定量包注入管模中，并在浇注过程中对铁液进行随流孕育处理和对管模进行冷却处理，浇注完成后，待凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到设定温度时，将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；

S4、退火：对球墨铸铁管毛坯进行退火处理；

S5、精整：对退火后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工；

S6、气密性实验：根据待铺设石油管线对球墨铸铁管的压力要求(通常为3.0～5.0MPa)，即待铺设石油管线的设计输送压力设定球墨铸铁管毛坯的试验压力，对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，其中，试验压力不小于待铺设石油管线的设计输送压力的1.20倍；

S7、无机纳米内衬涂层的制备：在气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁涂覆无机纳米材料，制备无机纳米内衬涂层。

首先，本发明的制备工艺中，在铁液制备时是将熔炼出的原铁液过热到了1500℃及以上，由于在铁液制备阶段将原铁液过热至不小于1500℃的温度，可以促使碳发挥对铁液的脱氧净化作用，达到对原铁液的预球化处理效果，从而有利于石墨的球化；此外，在本发明的制备工艺中，还根据铁液化 学成分的设定值对原铁液进行了化学成分组成的调整，由于球墨铸铁管口径规格及相应壁厚的不同，使不同规格的球墨铸铁管浇注后在凝固时间与冷却速度上存在差别，为防止球墨铸铁管的铸态毛坯出现游离渗碳体，对铁液碳当量的控制会根据不同口径、壁厚的球墨铸铁管的要求加以区别，给出不同的化学成分和碳当量的设定值，并据此进行调整；加之内壁喷涂了绝热涂层的热管模可以避免铁液激冷，从而能够避免在离心浇注过程中球墨铸铁管的铸态毛坯出现游离渗碳体，形成白口组织。

其次，本发明中是对温度在1500℃及以上且调整了化学成分组成的原铁液进行球化处理，并且将球化处理后的铁液注入到了球墨铸铁专用浇注电炉中(本发明实施例中提及的球墨铸铁专用浇注电炉为专利CN101658901B公开的浇注电炉设备)，将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉中，一方面可以进一步对铁液进行脱硫、脱氧，另一方面可以稳定铁液中的残留Mg量，从而避免了铁液球化衰退，保证了制得的球墨铸铁管的球化级别，并稳定了其韧性、强度等机械性能；同时将铁液的浇注温度始终保持在不小于铁液的临界温度(即1420～1480℃)的温度范围，使铁液始终为非氧化性的洁净铁液，避免了球墨铸铁管在离心浇注过程中产生砂眼、渣眼等铸造缺陷，这保证了铁液的浇注温度始终维持在稳定的高温水平，有利于消除气孔、砂眼、渣眼等夹杂缺陷，高温还使铁液的流动性得以大幅度提高，避免了产生带有冷隔、浇不足等缺陷的球墨铸铁管废品。

再次，本发明制备工艺中，采用涂料热模法离心铸造工艺制备球墨铸铁管毛坯，并且是在管模转动的离心力达到离心力设定值时，再开始离心浇注过程，这样的制备工艺，使得能够根据需求在适合的离心力下启动浇注过程，从而控制制备出的球墨铸铁管毛坯的缩松情况。例如为了克服球墨铸铁凝固时的缩松缩孔倾向产生的内部疏松，离心浇注过程采用高转速大离心力的浇注工艺，这保证了浇注用的高温铁液始终在巨大离心力的作用下逐渐凝固(本发明实施例中优选在管模转动离心力达到80～100G时开始浇注，比德·拉沃法的管模转动离心力40～50G提高1倍左右)，使得高温铁液在管模内始终在巨大离心力的作用下向管模内壁挤压，而不能向管模中心方向自由膨胀，实现了球墨铸铁铁液在粥状凝固及石墨化膨胀重合阶段的压力自补缩，从而保证了球墨铸铁管组织致密，厚壁部位厚度均匀且无缩孔、缩松等铸造缺陷，还保证了壁厚非常均匀与致密，无夹杂，因此制得的球墨铸铁管气密性好。此外，铁液合适的碳当量加上瞬时孕育，使制得的铸态球墨铸铁管毛坯的基体组织无游离渗碳体。

另外，本发明采用涂料热模法离心铸造工艺，绝热涂料喷涂前需先将管模预热至200～220℃，可保证喷涂时绝热涂料能迅速干透，在铁液注入管模 时可避免由于绝热涂料起爆而导致管模被铁液烧蚀损坏，从而造成生产中断事故。

然后，因为球墨铸铁管毛坯从管模中拔出后，由于管体温度高，可能会在冷空气中发生正火而产生大量珠光体，造成球墨铸铁管毛坯的延伸率下降，所以本发明制备工艺中，球墨铸铁管毛坯从管模中拔出后即进行消除珠光体的退火处理，从而获得基体组织以铁素体为主，珠光体含量低，延伸率好的球墨铸铁管。

最后，在对退火后的球墨铸铁管进行精整加工后，为确保球墨铸铁管的气密性，同时避免管体上的涂层对球墨铸铁管气密性试验结果真实性的影响，本发明制备工艺中，在制备无机纳米内衬涂层之前先对精整加工后的球墨铸铁管进行气密性试验，且试验压力设置为不小于待铺设石油管线的设计输送压力的1.20倍，从而确保了球墨铸铁管气密性的高可靠性。

本发明实施例的铁液制备过程中，对S含量不大于0.12％的铁液均可以不经炉外脱硫处理直接注入感应保温电炉中，在调节原铁液的化学成分组成时，也不需要刻意对S含量进行控制，这是因为：1)球化处理的脱硫效果很好，对硫含量不大于0.2％、温度为1500℃的高温、高硫铁液都能处理成合格球墨铸铁铁液，并且可将球化后铁液的硫含量脱至小于0.01％的水平；2)球墨铸铁专用浇注电炉允许在球化处理后不必扒渣处理，而直接将球化处理包内的MgS渣和MgO渣直接倾入炉内，在直流电解的作用下将渣中的S ^2-和O ^2-阴离子脱掉，渣中Mg ²⁺阳离子在接触到作为阴极的铁液时被还原成Mg重新进入铁液，与Mg从铁液中的逃逸损失形成动态平衡，稳定了铁液中的Mg残留量，避免了球化衰退，并使MgS渣和MgO渣化害为利，实现了金属镁的循环利用。而这也简化了生产工艺，提高了制备出的球墨铸铁管的机械性能和质量的一致性。

本发明实施例中，可以选用生铁、废钢、铁屑、含碳免烧砖和回炉料(主要为管件或其它铸件的浇冒口和少量球墨铸铁管与管件的不合格品)中的一种或多种作为炉料，根据不同炉料的化学成分组成、熔炼过程中化学成分可能存在的损耗和铁液化学成分的设定值进行配料，使熔炼后的原铁液化学成分的组成接近其设定值，简化铁液化学成分调整的工艺处理。

本发明实施例中，将炉料熔炼成原铁液的工艺可以采用冲天炉-感应电炉双联熔炼工艺，也可以采用高炉生铁铁液进入变频无芯感应电炉调整化学成分的“短流程”熔炼工艺。本发明实施例中将原铁液过热至不小于1500℃，可以是通过利用冲天炉对炉料进行熔炼，在熔炼后原铁液温度直接达到1500℃及以上(即原铁液的出铁温度不小于1500℃)实现的，也可以是通过采用其他熔炼方式，将熔炼后的原铁液在感应电炉中进行过热，使原铁液温 度达到1500℃及以上(即，感应电炉保温温度设定在1500℃及以上)实现的。

本发明实施例浇注过程中对铁液进行随流孕育处理可以促进石墨化、防止浇注过程中铁液球化衰退，避免游离渗碳体的产生。本发明实施例中随流孕育处理所用孕育剂为常规孕育剂，可以是硅铁孕育剂、硅钡孕育剂中的一种或其组合，优选75FeSi孕育剂，用量为铁液重量的0.2～0.4％。

本发明实施例中，浇注过程中对管模进行的冷却处理优选为喷淋水冷却处理。凝固成形的球墨铸铁管毛坯在冷却过程中，可继续对管模进行冷却处理；对凝固后冷却速度相对较慢的大口径厚壁球墨铸铁管，为加速其冷却速度，也可以对管模内已凝固的球墨铸铁管毛坯采取吹风或喷水雾措施。

本发明实施例中对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理的工艺优选是对铁液碳当量不发生影响且脱硫效果显著的喂丝法或转包法。其中，需通过调整球化剂用量，使球化处理后铁液中Mg的残留量不小于0.035％。

本发明实施例中，精整加工包括承口内磨、插口外磨、内壁修磨、切管、倒角，以及S型、N型等密封接口球墨铸铁管的法兰钻孔。承口内磨、插口外磨是为了提高这些部位的表面光洁度，从而使其在球墨铸铁管连接过程中与密封胶圈配合时可以进一步提高球墨铸铁管的密封压力。

为了确保产品的高可靠性，本发明实施例中，石油管线用球墨铸铁管生产线上的气密性试验一般均采用试验压力不小于5.0MPa(最高可达6.0MPa)、保压时间不小于20秒的检验方式，试验合格的球墨铸铁管可以根据需求继续完成后续的内外涂覆、终检验、喷商标和喷数字化标记等工序，然后打捆入库成为石油管线用球墨铸铁管成品。

在一些实施方式中，离心力设定值不小于80G，且不高于100G。由于在离心力较小时进行浇注会导致缩松、缩孔缺陷，而离心力过大时管模会因转速过高而使管模及设备的稳定性和设备安全性变差，因此，将离心力的设定转速设置为80G～100G(不同口径的球墨铸铁管离心力取值不同，其中，小口径管取值接近上限值，大口径管取值接近下限值)，可以在避免缩松、缩松缺陷的同时，也保证设备与管模运转的稳定性，进而保证生产出的球墨铸铁管的质量和保证生产安全。

在一些实施方式中，管模内凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到的设定温度可以为760～830℃。拔管温度高于850℃时，球墨铸铁管强度不足，此温度下拔管易导致球墨铸铁管在拔管过程中变形，而当拔管温度低于共析点的温度(约730℃)时，球墨铸铁管会发生共析转变，导致晶格转变引发体积跃迁，使球墨铸铁管膨胀造成拔管困难。因此，拔管温度控制在760～830℃可以防止拔管困难和避免球墨铸铁管变形。

在一些实施方式中，步骤S2中，利用球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的 浇注温度保持不小于铁液的临界温度，可以是通过将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430～1480℃实现的。将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430～1480℃，可以使球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液注入管模中时，保持铁液为非氧化性的洁净铁液，由此既可以保证铁液有足够的流动性，又能保证浇注结束后管模内的铁液还能在高离心力作用下仍保持一段液态时间，从而避免球墨铸铁管产生浇不足、冷隔、缩松、缩孔、砂眼、渣眼、气孔、壁厚不均等铸造缺陷和废品，制得的球墨铸铁管管壁致密、均匀、无缺陷、气密性好，可用于石油管线的铺设。

在一些实施方式中，球化剂可以为镁锭，铁液化学成分的设定值可以为：C为3.4～3.7％、Si为2.0～2.6％，

根据对铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成包括：

基于上述设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7％，且使碳当量达到共晶成分(即碳当量达4.26％)或使碳当量达到4.1％～4.3％。由此，有利于本发明涂料热模法离心浇铸工艺处理过程中球墨铸铁管成形和获得基体组织中不含游离渗碳体的球墨铸铁管毛坯，在保证球墨铸铁管毛坯质量的同时，还能简化后续的退火工艺。同时，采用镁锭作为球化剂，一方面可以大幅度降低球化剂成本，另一方面也避免了稀土硅铁镁球化剂中的Si等元素对铁液成分的影响和干扰，还可以节约大量宝贵的稀土元素。

在一些实施方式中，步骤S2中，可以采用转包法对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，其中，镁锭球化剂的用量为原铁液重量的0.10～0.20％。采用转包法，球化处理效果好，且球化剂在转包的反应室中汽化的速度受控而不会发生爆炸。球化剂的用量为原铁液重量的0.10～0.15％，即可保证球化处理完成后铁液中Mg含量不小于0.04％，达到理想的球化效果，当原铁液中S含量大于0.12％时，球化剂的用量可根据需要增加到原铁液重量的0.18～0.20％。

在一些实施方式中，在退火处理之前还可以包括如下步骤：

对制备的球墨铸铁管毛坯的外壁进行清刷、吹洗；

对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格以及球墨铸铁管毛坯管体是否有铸造缺陷和其它损伤缺陷。

如果浇注时注入管模的铁液的实际温度足够高(例如不低于1400℃)，球墨铸铁管毛坯从管模中拔出时，喷涂在管模内壁的绝热涂料会几乎全部挂在球墨铸铁管毛坯的外壁被带出，因此，需要对球墨铸铁管毛坯外壁进行清刷，再进行吹洗，将球墨铸铁管毛坯外壁残留的绝热涂料清洗干净。吹洗优 选采用高压蒸汽对球墨铸铁管外壁进行吹洗。

刷管与吹洗完成后，需要对球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格，以及确定球墨铸铁管毛坯管体是否有渣眼、皮下气孔、砂眼、冷隔、重皮、缩孔、缩松等铸造缺陷和损伤裂纹等其他损伤缺陷。球化级别合格且无铸造缺陷和损伤裂纹的球墨铸铁管毛坯记为检验合格，而不合格的球墨铸铁管毛坯记为检验不合格，直接作为炉料回炉重熔。采用超声波对球墨铸铁管毛坯进行检测，可快速完成球墨铸铁管的无损检测，在不损害或不影响球墨铸铁使用性能的前提下，全面检测球墨铸铁管是否存在铸造缺陷和内部损伤缺陷；并且，将超声波用于测定球墨铸铁管的球化级别是否合格，其检测效率远高于传统的金相检测等方法，甚至还可以定量判定球墨铸铁管基体的不同组份及其含量；此外，采用超声波对球墨铸铁管毛坯进行检测，可以实现单一规格的大批量球墨铸铁管的连续在线检测，有利于实现球墨铸铁管生产线的自动化。

在一些实施方式中，退火处理的退火温度可以为780～850℃，退火时间为20～40min。与传统德·拉沃法退火工艺相比，本发明具有以下明显优势：1)本发明制备工艺制得的球墨铸铁管毛坯的基体中不含游离渗碳体，只是拔管后由于管体在空气中发生正火，此时发生的共析转变会使珠光体超标，因此，只需要对球墨铸铁管进行消除珠光体的低温退火，即可获得铁素体含量合格的高延伸率、高韧性的球墨铸铁管，这样可以明显降低退火处理的温度(从传统的980～1050℃降低到780～850℃)；2)本发明退火工艺取消了消除莱氏体的高温退火阶段和退火窑中间的快速水冷(或风冷)结构，简化了隧道式退火窑的设备结构，缩短了退火时间，降低了退火处理的能耗，延长了退火窑中耐火材料的寿命；3)避免了球墨铸铁管由于过烧而变形(即球墨铸铁管变椭圆)的风险和废品损失；4)由于球墨铸铁管的壁厚高度均匀，保证了退火过程的平稳流畅，可完全避免因个别球墨铸铁管局部壁厚过薄在加热后发生断裂带来的严重后果(断裂的球墨铸铁管堵塞在退火窑中，会引发连续式隧道退火窑设备故障，甚至引发停产事故)。

在一些实施方式中，在所退火处理之后、精整加工之前还可以包括如下步骤：

对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌。

本发明实施例中，喷锌可以是通过热喷锌、冷涂锌等方式实现，锌层厚度优选不小于40μm。对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌，有利于提高球墨铸铁管表面耐受电腐蚀的能力，同时，还可以避免后续球墨铸铁管毛坯在进行气密性试验过程中，由于球墨铸铁管毛坯管体与水接触而导致管体表面生锈。

在一些实施方式中，在步骤S7之后还可以包括如下步骤：在内壁涂覆无机纳米内衬涂层后的球墨铸铁管的锌涂层上制备保温层。由此，当石油管线用球墨铸铁管用于输送石油时，可以防止由于外界温度降低，石油凝固导致输送阻力增大，同时也可以减少石油加热输送时的热量损失，节省石油加热的能耗。

附图说明

图1为本发明一实施方式的石油管线用球墨铸铁管的结构图；

图2为图1所示石油管线用球墨铸铁管管体的剖面图；

图3为图1所示石油管线用球墨铸铁管S _II型机械式密封接口的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细的说明。

实施例1

图1和图2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的石油管线用球墨铸铁管。如图所示，该石油管线用球墨铸铁管包括其中一端设有承口11、另一端设有插口12的管体1和涂覆于管体1内壁上的无机纳米内衬涂层2。

无机纳米内衬涂层2由无机纳米材料涂覆制成，其厚度可以是5～15μm，本实施例中，无机纳米内衬涂层2优选由纳米二氧化硅涂覆制成，厚度为10μm。

本实施例中，石油管线用球墨铸铁管还包括微晶保温层3和锌涂层4，其中，锌涂层4涂覆于管体1的外壁上，微晶保温层3涂覆于锌涂层4上，即，锌涂层4位于管体1外壁和微晶保温层3之间。其中，锌涂层4厚度为40μm；微晶保温层3由微晶材料涂覆制成，本实施例中，微晶材料优选微晶泡沫玻璃，微晶保温层3的厚度优选为15mm。

如图2所示，本实施例中，石油管线用球墨铸铁管管体1外壁由里向外依次涂覆有锌涂层4和微晶保温层3，管体1内壁涂覆有无机纳米内衬涂层2。

本实施例中，石油管线用球墨铸铁管的承口处不涂覆无机纳米内衬涂层2、插口处不涂覆微晶保温层3。石油管线用球墨铸铁管连接时，相邻的石油管线用球墨铸铁管之间无机纳米内衬涂层2和微晶保温层3可以连续过渡，保证了石油管线用球墨铸铁管连接后，整个管道无机纳米内衬涂层2和微晶保温层3的连续性。

本实施例中，石油管线用球墨铸铁管连接时优选采用S _II型机械式密封接口。如图3所示，本实施例中，石油管线用球墨铸铁管的插口12外表面上设置有止退槽121，管子连接时，插口12插入待连接的石油管线用球墨铸铁管 的承口11内，插口12上设有压兰63，压兰63通过螺栓61和螺母62与承口11边缘固定连接，承口11内表面上设有嵌入槽，嵌入槽内从嵌入槽端口往内依次嵌入有密封胶圈64、隔离圈65和锁环66，压兰63的底端压住密封胶圈64，锁环66的底端压在止退槽121上，密封胶圈64、隔离圈65与锁环66三者紧挨在一起并位于承口11内壁和插口12外壁之间，且密封胶圈64、隔离圈65与锁环66组合在一起与承口11内壁和插口12外壁形成过盈配合，达到密封的目的。锁环66和止退槽121的配合使用，使接口具有较好的防脱滑能力。

密封胶圈64的材料可以是氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶或聚四氟乙烯。本实施例中，密封胶圈64的材料优选为聚四氟乙烯材料。

实施例2 石油管线用球墨铸铁管的制备

结构如实施例1所示，规格为DN1400×8000mm的石油管线用球墨铸铁管的制备方法，包括如下步骤：

S1、铁液制备：铁液化学成分的设定值为：C：3.4～3.7％、Si：2.2～2.4％，选用生铁、废钢、铁屑和含碳氧化铁免烧砖作为炉料，配料后炉料在40t/h大型长炉龄富氧冲天炉中熔炼成原铁液后经冲天炉的虹吸式渣铁分离器进行渣铁分离，原铁液由冲天炉的虹吸式出铁口注入两台60t大容量有芯感应保温电炉中，感应保温电炉的设定温度为1500℃并保持恒温，根据铁液化学成分的设定值设定冲天炉熔炼工艺，使铁液的出铁温度大于1500℃，同时保证原铁液的化学成分在设定值范围内，若超出设定值范围，则将使用10t变频无芯感应电炉熔化铁液并注入60t大容量有芯感应保温电炉中进行调整，以确保上述铁液化学成分达到设定值，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7％，且通过调整硅的质量分数使铁液碳当量基本为共晶成分(即CE＝4.2～4.3％)；

S2、球化处理：将原铁液重量0.16％的镁锭放入5t的大型转包的反应室，将感应保温电炉内的原铁液注入转包中进行球化处理，球化处理后铁液中Mg残留量≥0.04％，铁液中化学成分组成包括：C：3.4～3.7％、Si：2.2～2.4％、Mn：＜0.3％、P：＜0.07％、S：＜0.01％；不需要经扒渣处理，球化处理后的铁液由5t旋转叉车运载直接注入12t球墨铸铁专用浇注电炉，为使铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，球墨铸铁专用浇注电炉中设定的保温温度为1440℃；

S3、涂料热模法离心铸造：在已经预热至200℃、且内壁清刷干净的热管模内壁喷涂绝热涂料，待绝热涂料彻底干燥后，将管模移至上芯工位，由机器人将承口芯安装在管模承口处；上芯完成后，将管模移至在离心机组预 转工位，管模预转至设定转速的85％时，移至离心浇注工位(管模在离心机组预转工位预转至设定转速的80～90％时再移至离心浇注工位，可以节省离心浇注工位提升管模转速的时间，提高生产效率)；移至离心浇注工位后，迅速将管模转速提升到最大值(离心力达到98G)，随即开始浇注，将球墨铸铁专用浇注电炉中的温度为1440℃的铁液经定量包注入管模中，同时加铁液重量0.3％的75FeSi孕育剂进行随流孕育，并且同时对管模进行淋水冷却；铁液凝固成形后，将管模移至冷却工位(可继续对管模喷淋水冷却，同时可向管模内喷水雾，加快红热球墨铸铁管毛坯的降温)，随后管模移至拔管工位，待管模内球墨铸铁管毛坯冷却至830℃以下时，拔管机将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；拔出球墨铸铁管毛坯的空管模，再依次经过清刷工位、喷涂工位等，将管模承口端内壁残余涂料清刷干净，重新喷涂绝热涂料并干燥后，再次循环用于球墨铸铁管的制备；

其中，绝热涂料是水基涂料，主要由硅藻土和膨润土按重量比(18～20):1配置而成，涂层厚度可以是0.8～1.2mm。本实施例中，水基硅藻土涂料中硅藻土和膨润土按重量比18：1配置，涂层厚度是1.0mm。

承口芯采用冷芯盒工艺，用大型自动化射芯机制芯。

S4、刷管与吹洗：利用刷管机对从管模中拔出的球墨铸铁管毛坯外壁带出的绝热涂料进行清刷及高压蒸气吹洗，彻底清除粘在球墨铸铁管毛坯外壁上的残余绝热涂料；

S5、无损检测：刷管与吹洗完成后，对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，判定铸管毛坯的球化级别、有无铸造缺陷或其他损伤缺陷，检验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔(通常情况下此处废品率不超过0.2％)；

S6、低温退火：经检验合格的球墨铸铁管毛坯转入隧道式退火窑退火，退火温度控制在780～850℃，退火时间30min，出窑温度为680℃；

S7、喷锌：利用喷锌机对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行热喷锌，锌层厚度为40μm；

S8、精整加工：对喷锌完成后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工，包括：磨承口与插口、磨内壁、切环倒角、法兰钻孔等；

S9、气密性试验：对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，试验压力为5.0MPa，保压时间＞20s；经气密性试验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔(通常情况下此处废品率不超过0.1％)；

S10、无机纳米内衬层制备：在气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁上涂覆纳米二氧化硅材料，制备无机纳米内衬涂层，涂层厚度为10μm；

S11、微晶保温层制备：在内壁涂覆无机纳米内衬涂层后的球墨铸铁管毛坯的锌涂层上涂覆微晶泡沫玻璃，制备微晶保温层，涂层厚度为15mm；之后再进行终检验，对合格品喷商标和质量跟踪数字码，即得石油管线用球墨铸铁管成品。

经检测，本实施例制得的球墨铸铁管无砂眼、渣眼、气孔、冷隔、缩松、缩孔等铸造缺陷，经本体取样进行金相和机械性能检验，球化级别高且非常稳定，基体组织为铁素体为主的P15，延伸率为18～22％，抗拉强度为440～480MPa。

在一些实施例中，本发明石油管线用球墨铸铁管的生产线可以实现自动化或半自动化，如：(1)铁液制备过程中，冲天炉可以由专家系统智能控制，实现炉子工况和熔炼参数的全程自动控制；(2)球化处理过程中，转包内的铁液可以在旋转叉车上完成球化处理、铁液转运、向专用浇注电炉内倾倒等动作；(3)绝热涂料制备过程中，可以由离心机组自带的涂料自动化配置搅拌系统加工成合格涂料随时备用；(4)承口芯的安装可以通过机器人或者机械手进行等，由此，有利于节省人力物力，提高球墨铸铁管的生产效率。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1. 石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，包括：一端设有承口(11)、另一端设有插口(12)的管体(1)和设于所述管体(1)内壁上的无机纳米内衬涂层(2)。
2. 根据权利要求1所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，还包括设于所述管体(1)的外壁上的保温层(3)。
3. 根据权利要求2所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，所述保温层(3)为微晶保温层。
4. 根据权利要求2所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，还包括设于所述球墨铸铁管体(1)的外壁上的锌涂层(4)，且所述保温层(3)设于所述管体(1)的锌涂层(4)上。
5. 根据权利要求3或4所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，所述微晶保温层的厚度为10～25mm。
6. 根据权利要求5所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，包括多个所述管体(1)，每两个相邻球墨铸铁管体(1)之间通过承口(11)和插口(12)连接，且承口(11)和插口(12)的连接处均设有耐油橡胶材料制成的密封胶圈。
7. 根据权利要求6所述的石油管线用球墨铸铁管，其特征在于，所述耐油橡胶材料为氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶或聚四氟乙烯。
8. 根据权利要求1～7任一项所述的石油管线用球墨铸铁管在石油管线中的应用。
9. 权利要求1所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

   S1、铁液的制备：将炉料熔炼成原铁液并过热至不小于1500℃，根据铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成；

   S2、球化处理：利用球化剂对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，并将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉，利用所述球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度；

   S3、涂料热模法离心铸造：对喷涂的绝热涂料已干燥的热管模完成上承口芯后，驱动管模转动，并在管模转动的离心力达到离心力设定值时，将球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液经定量包注入管模中，并在浇注过程中对铁液进行随流孕育处理和对管模进行冷却处理，浇注完成后，待凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到设定温度时，将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；

   S4、退火：对所述球墨铸铁管毛坯进行退火处理；

   S5、精整加工：对退火后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工；

   S6、气密性实验：根据待铺设石油管线的设计输送压力设定球墨铸铁管毛坯的试验压力，对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，其中，试验压力不小于待铺设石油管线的设计输送压力的1.20倍；

   S7、无机纳米内衬涂层的制备：在气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁涂覆无机纳米材料，制备无机纳米内衬涂层，即得石油管线用球墨铸铁管成品。
10. 根据权利要求9所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，离心力的所述设定转速不小于80G，且不高于100G。
11. 根据权利要求10所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到的所述设定温度为760～830℃。
12. 根据权利要求9所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，利用所述球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，是通过将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430～1480℃实现的。
13. 根据权利要求9～12任一项所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，所述球化剂为镁锭，所述铁液化学成分的设定值为：C为3.4～3.7％、Si为2.0～2.6％，

    所述根据对铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成包括：

    基于上述设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7％，且使碳当量达到共晶成分或使碳当量达到4.1％～4.3％。
14. 根据权利要求13所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，采用转包法对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，其中镁锭球化剂的用量为原铁液重量的0.10～0.20％。
15. 根据权利要求14所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在所述退火处理之前还包括如下步骤：

    对制备的球墨铸铁管毛坯的外壁进行清刷、吹洗；

    对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格以及球墨铸铁管毛坯管体是否有铸造缺陷和其它损伤缺陷。
16. 根据权利要求15所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，所述退火处理的退火温度为780～850℃，退火时间为20～40min。
17. 根据权利要求16所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在所述退火处理之后、精整加工之前还包括如下步骤：

    对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌。
18. 根据权利要求17所述的石油管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在步骤S7之后还包括如下步骤：在内壁涂覆无机纳米内衬涂层后的球墨铸铁管的锌涂层上制备保温层。

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