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研究热喷涂技术及其在天然气管道中的应用

时间:2011-07-11 10:27:20 来源: 作者:孙慧点击:次

20世纪80年代以来，我国大陆天然气探明储量和产量持续快速增长，已经形成川渝、新疆、陕西长庆、青海以及南海等陆上和海上气区，累计探明可采储量2.66万亿m3。根据《天然气管网布局及“十一五”发展规划》，2006~2010年期间，我国将基本形成覆盖全国的天然气基干管网，规划建设天然气管道大约1.6万km，到2010年，天然气管道总长将达4.4万km。在天然气开采以及集输处理过程中，由于各类环境因素、储存和输送介质的特性等造成管道金属的腐蚀非常普遍，影响因素非常复杂。据统计，天然气管道50%的泄漏问题是由腐蚀直接引起的，每年因金属腐蚀造成的直接和间接损失高达数十亿元，甚至导致人员伤亡和中毒等重大安全事故［1-2］。因此，如何长期有效地抑制腐蚀是消除事故隐患、保障安全运行、降低生产成本的重要环节。热喷涂表面处理技术，是一种非常有效的天然气管道防腐技术。尤其是我国近年来在四川、新疆和吉林等地连续开发了多个大型富含硫化氢和二氧化碳的酸性和高酸性天然气田，这类酸性天然气集输管道的腐蚀条件极其恶劣，热喷涂防腐技术是一种很好的选择。

1热喷涂工艺方法

1.1热喷涂技术的原理和特点

热喷涂技术是使基体（零件）表面强化和防护的一门技术，它是利用电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末或丝状的金属或非金属喷涂材料加热熔化或软化，使之在热源或外加高速气流的作用下雾化，形成熔滴，并以一定速度喷向预处理过的基体零件表面，形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。与其它表面处理技术比较，热喷涂技术具有一些突出的特点：①取材范围广；②可用于各种基体；③可使机体保持较低温度，基材变形小；④工效高，操作程序少，速度快；⑤被喷涂物件的尺寸无限制；⑥涂层厚度可控制在几十微米到几毫米；⑦可赋予加工材料以耐磨、耐蚀、抗氧化、耐热、导电、绝缘等表面性能；⑧成本低，经济效益显著［3-5］。

1.2热喷涂技术的分类

热喷涂技术最初应用于航空航天和国防工业，目前已成为机械制造和设备维修的基础工艺之一。热喷涂根据热源和材料不同可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂，后者又包括大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂；③电热类，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。目前最常用的热喷__涂方法有超音速喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂和火焰喷涂，其工艺特性对比见表1［6-7］。

表1常用喷涂方法的工艺特性对比

1.3热喷涂工艺的选择

根据不同的应用环境、条件和要求，需要选择合适的热喷涂工艺。热喷涂的工艺选择可依据以下原则：（1）涂层结合力要求不高，喷涂材料的熔点不超过2500℃，可采用设备成本低的火焰喷涂。（2）对涂层性能要求较高的某些比较贵重的机件，应采用等离子喷涂。（3）工程量大的金属喷涂施工宜采用电弧喷涂。（4）要求高结合力、低孔隙度的金属或合金涂层可采用超音速喷涂；要求高结合力、低孔隙度的金属或陶瓷涂层则可采用低压等离子喷涂；爆炸喷涂可用于重要零部件的强化。（5）对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。（6）安全性要求特别高的机件，选择喷涂工艺及材料前须进行试验和论证。

1.4热喷涂的基本工艺

热喷涂的基本工艺包括：基体表面预处理、喷涂、表面热处理和涂层封孔处理、涂层表面的精加工。（1）基体表面预处理：喷涂方法选定之后，还要选定预处理工艺，包括去油、除锈、表面粗糙化。（2）喷涂：喷涂施工时，必须确定合理的工艺参数，以控制喷涂质量。包括：①喷涂热源条件，即燃料种类及和氧混合的比例；②材料输送，即输送气体的种类、速度、流量以及输送位置和角度；③喷涂材料，包括材料成分、物理性质、粉末形状、粒度、线料或棒料直径等；④机件的基体成分、基体温度、性能、表面处理方法；⑤喷涂操作，包括喷枪与机件的距离，喷枪或机件的移动速度，喷枪与机件的角度，喷涂气体介质等。（3）涂后处理：涂后要立即进行封闭处理或热处理。（4）精加工：喷涂后，涂层需进行磨削加工以保证尺寸精度。此外，喷涂施工时必须注意安全防护工作，包括：防止高速高温的喷涂射流对人员和设备的危害；对喷涂粉尘的防尘和通风；对喷涂噪音和喷涂弧光辐射的安全防护。

2热喷涂涂层

2.1热喷涂涂层的特点

与有机高分子涂料靠乳液高分子聚集和粘合作用形成涂层不同，热喷涂是将喷涂材料以高温高速喷涂到基体表面，依靠喷涂材料与基体表面的机械结合、半冶金结合和物理结合等方式形成涂层。热喷涂材料按形状可分为线材和粉末，其中线材的喷涂设备简单，工艺因素影响小，涂层质量稳定；而粉末则不受成型工艺的限制，组元间可按任意比例调配，形成特__殊的相组织从而实现某些特殊性能。热喷涂材料一般具有以下特点：①热稳定性好，能耐高温；②使用性能好，可满足各类不同涂层的使用性能；③润湿性好，涂层与基体的结合强度高，涂层平整；④固态流动性好（粉末），可保证送料的均匀性；⑤热膨胀系数合适，能防止喷涂后冷却过程中发生涂层龟裂。

2.2热喷涂涂层的分类

热喷涂涂层根据其用途主要分为防护涂层、强化涂层和特殊功能涂层，其具体类别和分类详见表2。

关键词： 研究热喷涂技术

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