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热喷涂技术及其在石油设备上的应用

时间:2012-10-15 10:13:31  来源:石油机械  作者:伞金福,李向久,王永

  热喷涂技术及其在石油设备上的应用
  伞金福,李向久,王永
  石油机械
  摘要:论述了火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂和塑料喷涂等热喷涂技术的基本原理和主要特点;介绍了各项热喷涂技术在石油设备的修复、强化、防腐、抗冲蚀、抗磨损和防聚合物污染等方面的应用情况。实践表明,热喷涂技术是延长石油设备寿命的有效手段,在我国石油工业领域中有着广泛的应用前景。
  主题词:石油机械;热喷涂应用
  热喷涂技术作为表面工程的一个分支,在材料表面改性方面发挥着重要的作用。自从本世纪初发明火焰喷涂和电弧喷涂技术以来,50年代随空间技术的发展出现了等离子喷涂和爆炸喷涂,80年代又推出了超音速火焰喷涂等新技术,使涂层质量不断提高,应用范围日趋扩大,特别是近年来热喷涂技术在石油工业领域获得了广泛应用。
  分类及基本原理
  1.火焰喷涂
  线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂就是将线材或棒材从喷枪的中心孔内送出,由氧一燃烧气体火焰熔化,周围的压缩空气流将熔化的金属雾化,并喷射到经过预处理的工件表面形成涂层。粉末材料由送料罐内自然落下或由自动送给粉末装置等将粉末送人流经喷枪内部的气流中,粉末经燃烧火焰时熔化并雾化成微小熔滴,喷射到经过预处理的工件表面形成涂层。火焰喷涂设备简单,操作方便,应用广泛,可用于野外现场施工,成本较低,但涂层致密度和结合强度较其它几种热喷涂方法差一些。
  2.电弧喷涂
  电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝材作为自耗性电极,使其端部成一定角度,连续送进。它们分别接直流电源的正、负极,在电源的作用下,由于电流密度大,于是在两根金属丝间产生电弧,并熔化金属丝材。在电弧的背后由喷嘴喷出的高速气流(通常是压缩空气),使熔化的金属雾化成熔滴,喷射到经过预处理的基材表面形成涂层。电弧喷涂具有设备简单、操作方便、适应性好、喷涂成本低、能源利用率高和喷涂生产率高等优点。但它只能喷涂丝材,使喷涂材料范围受到限制,近期发展的管状复合丝材技术扩大了喷涂材料范围。
  3.等离子喷涂
  等离子喷涂是由等离子喷枪产生等离子射流,喷枪的电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接整流电源的正、负极,向喷枪供给工作气体(Ar等),通过高频火花引燃电弧,电弧将气体加热到很高的温度,使气体电离,在热收缩效应、自磁收缩效应和机械压缩效应等作用下,电弧被压缩,产生非转移型等离子弧。高温等离子气体从喷嘴喷出后,体积迅速膨胀,形成高温高速等离子射流。送粉气流推动粉末进人等离子射流后,被等离子射流迅速加热到熔融状态雾化并加速,_沉积到经过预处理的工件表面形成涂层。等离子弧具有弧柱细、电流密度大、气体电离充分、温度高、能量集中、稳定性好和可控性好等优点。等离子焰温度高)能熔化各种难熔材料,特别适合于喷涂陶瓷材料,涂层致密,结合强度高。
  4.爆炸喷涂
  (l)燃气重复爆炸喷涂燃气重复爆炸涂就是将一定比例和流量的乙炔和氧气引人内径为25~的水冷枪筒内,与同时引入的喷涂粉末混合,通过火花塞点火瞬间引爆,爆炸的热能将喷涂粉末加热到熔融状态,并使熔滴加速到2倍音速喷出,沉积到经过预处理的工件表面形成涂层。此后将氮气引人枪筒内置换,直到下.--个爆炸过程开始。爆炸频率为6一8次/秒,爆炸喷涂的颗粒对母材撞击力大,断续爆炸喷涂抑制了工件的温升,因而获得的涂层结合强度高,涂层致密(孔隙率小于0.5%),但应有隔音、防尘设施。
  (2)线爆喷涂线爆喷涂就是将要喷涂的金属丝(如钥丝)置于要喷涂的气缸内,并联接电路。在开关断开时,电源通过电阻向电容器充电,使电容器储存足够的电量;闭合开关后,电容器储存的能量向金属丝突然放电,瞬时电流高达数万安培,使金属丝爆炸成微小的熔滴,喷射到气缸内壁形成涂层。更换金属丝反复爆炸便可得到所需厚度的涂层。线爆喷涂特别适于小孔径内壁喷涂,所有金属,包括难熔金属W、Mo、Ta等均能进行喷涂。线爆喷涂的典型应用实例是在铝合金气缸内表面喷涂铂,提高气缸内壁的耐磨性。
  5.超音速粉末火焰喷涂
  超音速粉末火焰喷涂就是燃气(丙烷、丙烯或氢气)和氧气分别以0.3MPa以上的压力输人燃烧室(燃烧室位于枪把中),同时从喷枪喷管轴向的圆心处由载气(氮气或压缩空气)送人喷涂粉末。燃气和氧气在燃烧室混合燃烧,气体燃烧产生压力,形成高速热气流,通过四个喷嘴转向,进人喷管中,在喷管内汇成一束高温射流,将进人射流中的粉末加热熔化并加速,射流通过喷管时受到水冷壁的压缩,离开喷嘴后燃烧气体迅速膨胀,产生超音速射流(达2倍音速以上),沉积到经过预处理的工件表面形成涂层。超音速粉末受热均匀,熔化充分,熔滴氧化轻微,适合于喷涂碳化物,涂层致密,结合强度高,但气体耗量大。
  6.火焰喷塑
  火焰塑料粉末喷涂是利用气体燃烧火焰将塑料粉末加热到熔融状态并喷射到经过预处理的工件表面形成涂层的方法。有中心送粉和外围送粉两种形式。与传统的金属粉末火焰喷涂相比,主要是在喷枪的设计上加上了防止塑料粉末燃烧分解的保护性气幕,形成多层结构。在加热火焰和塑料粉末之间添加一层压缩空气幕帘,以保证对塑料粉末的适度加热。
  在石油设备上的应用
  油田使用的各种重型车辆、拖拉机、柴油机的曲轴等磨损后可采用电弧喷涂3Crl3涂层或等离子喷涂陶瓷涂层的方法来修复,既可显著降低成本,又能延长设备使用寿命,尤其是可有效解决进口设备的修复问题。各种轴类磨损后均可采用热喷涂方法修复,也可用来恢复加工超差零部件或强化耐磨件表层。
  油田用各种泵的柱塞、缸套、叶轮可用超音速火焰喷涂WC/Co或等离子喷涂从伪等来修复和强化,提高其使用寿命。工作在温度达540℃、压力达140MPa的含有腐蚀性砂浆的管线中的金属座球阀,
  爆炸喷涂WC一17%C。涂层成功地用于钻头,提高了钻头的抗磨损、抗腐蚀和抗冲蚀能力,也可采用等离子喷涂工艺在人造金刚石钻头表面制备复合合金涂层以。油田使用的塔、罐、管道可采用电弧喷涂铝、锌、不锈钢等涂层防腐或采用火焰喷塑防腐。美国路易斯安娜炼油厂高76.2m的点火架,1951年喷涂0.25~厚的锌涂层,在石油化工区的腐蚀气氛下,涂层至今完好无损。美国得克萨斯州和路易斯安娜区的采油和钻井用钢结构均喷涂锌涂层;英国北海钻井平台,采用喷涂铝涂层和封闭技术,防腐效果良好。杜邦、联合化工、壳牌等公司在反应发生器内壁已大量使用丝材喷涂不锈钢、司太立合金、钥和钦合金涂层。
  油田用各种锅炉的水冷壁管的腐蚀和冲蚀是长期以来存在的重要经济和技术问题,采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂均可解决,但由于成本、工艺等因素限制了等离子喷涂和超音速火焰喷涂的应用。美国采用电弧喷涂45cr丝材(43%Cr,0.1%Fe,4%Ti,其余为Ni),喷涂部位包括下部炉区的熔体底部区域、沸腾器过渡区、过热器管、端部拱形部分和沸腾器管。最初一年的检查表明,这种涂层不剥落、不老化。二十六个月后对45Cr涂层进行检查,均未发生剥落和过量损失,根据目前实际应用结果,45CT涂层可保证锅炉管道在7一10年内安全运行。可见,采用电弧喷涂涂层是解决锅炉管道腐蚀和冲蚀问题的有效可行方法。
  大型石油化工装置,特别是高分子塑料原料的储存料仓,均采用不锈钢或铝合金制造以防对高分子原材料的污染。大庆石油化工总厂三期工程引进ABS装置的过程中,一改过去连同料仓也引进的做法,而采用在碳钢件表面热喷涂铝的方法制造ABS粉料料仓,既保证ABS粉料料仓的质量,又节省投资46.4%。如果用不锈钢材料制造ABS粉料料仓,总价约为875万元,采用碳钢件热喷涂铝技术后其总价约为469万元,节约资金杨万元。存放油田三次采油所用的聚合物的容器,也可采用热喷涂铝或不锈钢的方法,防止对聚合物的污染。
  
  参考文献略

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