预补口金属陶瓷（DSHS）内覆钢管的制造方法

摘要

本发明公开了一种采用镍基合金+双相不锈钢在钢管管端内壁预先分区堆焊耐蚀合金材料，然后在钢管内壁进行自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆处理的钢管制造方法，特别是一种预补口金属陶瓷(DSHS)内覆钢管的制造方法；利用该方法制造的钢管解决了普通金属陶瓷内覆钢管的管道焊接技术瓶颈，是一种具有良好焊接性能的耐高温高压、耐磨损、耐腐蚀、防结垢的金属陶瓷钢管，该钢管可适应陆上或海底高压回注污水管道、高温高压注蒸汽管道的内防腐要求，可大幅提高钢质管线在线服役寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及钢质管道内防腐技术领域，是一种采用镍基合金+双相不锈钢在钢管管端内壁预先分区堆焊耐蚀合金材料，然后在钢管内壁进行自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆处理的钢管制造方法，特别是一种预补口金属陶瓷(DSHS)内覆钢管的制造方法；利用该方法制造的钢管解决了普通金属陶瓷内覆钢管的管道焊接技术瓶颈，是一种具有良好焊接性能的耐高温高压、耐磨损、耐腐蚀、防结垢的金属陶瓷内覆钢管，该钢管可适应陆上或海底高压回注污水管道、高温高压注蒸汽管道的内防腐要求，可大幅提高钢质管线在线服役寿命；

背景技术

在腐蚀介质管道输送中，特别是在腐蚀介质高压管道输送(如陆上或海底高压回注水)中，需要对管道内壁进行防腐蚀处理，以提高管道寿命；以往针对此类管道，多采用柔性环氧陶瓷液体涂料或环氧粉末固体涂料对钢管内壁预先进行工厂化防腐处理，在管道焊接施工时通过“内补口车”对焊口内壁进行防腐处理，以实现管道内防腐层连续的目的；对于“内补口车”无法进入的小口径管道(如小于Φ159mm 的陆上油田单井回注水管道)，一般不进行工厂化内防腐处理，饱含腐蚀介质的回注污水对管道内壁的腐蚀及其严重，一般此类管道最快两年即因腐蚀而报废，造成严重的经济损失，带来严重的安全环保风险；

目前国内对于外径大于Φ159mm的海底高压回注水管道，多采用柔性环氧陶瓷涂料进行工厂化内防腐处理，普通焊口内壁采用“内补口车”内防腐补口处理，特殊接头采用环氧玻璃钢补口短节连接如(图 1)所示；该方法虽然实现了内防腐层连续的目的，但施工复杂、成本较高，且受防腐涂料黏结能力的限制，在10Mpa以上的介质压力下，防腐涂层的寿命只能保持2年左右；

中国专利申请号201621199624.1公开了一种“内外熔结环氧DGR 复合钢管”，该钢管对于外径小于Φ159mm的陆上油田高压回注水管道具有一定的作用；该钢管采用中国专利申请号201610978737.X的不锈钢堆焊方法，在管端内壁堆焊一层不锈钢层，在钢管内壁采用熔结环氧粉末作为内防腐涂层；熔结环氧粉末涂层的黏结能力高于液体防腐涂层，且管端不锈钢堆焊层在管道焊接后免除了内补口作业，起到了使内防腐层连续的作用，但熔结环氧涂层仍然不能长期耐受 12Mpa以上的介质压力，一般在2年左右也会脱落；

目前，国外有采用柔性环氧涂层打底、熔结环氧酚醛粉末涂层盖面的复合内涂层方法，该方法提高了内防腐涂层的黏结能力，耐介质压力可达20Mpa以上，但该方法无法对焊口内壁进行上述复合内涂层的防腐补口作业，焊口内防腐补口层成为最薄弱的环节，影响了管道的整体寿命；

自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆技术是一种先进的技术，采用该技术生产的自蔓延(SHS)金属陶瓷复合钢管的陶瓷层通过过渡层与钢管内壁冶金结合，其耐压和耐高温能力理论上等同于钢管本身，其耐腐蚀性能超过普通低碳钢的500倍以上，具有优秀的耐磨损性能和防结垢性能，使用寿命可达50年以上，但该钢管的陶瓷层焊接较难，只能采用激光陶瓷层焊接或陶瓷封堵剂封堵陶瓷层仅焊接金属层的方法如(图2)所示，无法避免封堵剂在焊接过程中的烧损和焊接热输入造成的焊缝区域陶瓷层的开裂；由于封堵陶瓷层的存在，使X射线无法对焊缝背部清晰造影，焊缝的可靠性存疑；

中国专利申请号201621199625.6公开了一种“堆焊固溶(DGR) 预补口钢管”，该钢管解决了小孔径管线焊口内补口问题，但其预补口层形状只能解决与液体或粉末类内防腐涂层的覆盖搭接问题，如果在预补口钢管内覆金属陶瓷，则还会有少部分金属陶瓷铁基过渡层夹在刚玉陶瓷层与不锈钢预补口层之间，在导电介质中会引起铁基过渡层的电偶腐蚀，影响钢管内组合防腐层的完整性。

中国专利申请号201510515750.7公开了一种用于管道焊口内补口的钢制管道焊口内壁防腐堆焊方法，该方法采用了同种焊材覆层堆焊结构，未涉及异种焊材的分区堆焊结构；

发明内容

本发明通过在钢管管端内壁采用镍及合金+双相不锈钢预先分区堆焊一定宽度和厚度的耐蚀合金层，然后将装填有铝热剂金属陶瓷粉料的钢管置于离心机上，通过自蔓延(SHS)技术使金属陶瓷材料熔敷于钢管内壁，形成两端内壁带有双相不锈钢堆焊层的金属陶瓷内覆钢管；内覆后通过管端热处理使堆焊层与内覆陶瓷层可靠搭接；在管线组对焊接时采用双相不锈钢焊材手工或自动焊接连接，焊口两端的内堆焊层与钢管内壁金属陶瓷层形成可靠的连续内防腐层；该钢管具有金属陶瓷内覆钢管耐磨、耐蚀、耐高温高压和防结垢的优点，也有堆焊预补口钢管焊接简单的优点；

具体发明内容如下：

预补口金属陶瓷(DSHS)内覆钢管的制造方法由基管管端加工、管端镍基合金+双相不锈钢预补口分区堆焊、钢管内壁自蔓延金属陶瓷内覆、管端热处理等过程构成；钢管结构如(图3)所示；

1、管端内壁加工

机械加工基管管端内壁如(图4)所示，使之露出金属白亮色，加工方法可以是打磨，也可以是切削；加工深度越少越好；加工宽度应满足坡口加工和管道焊接施工的需要；基管可以是任何型号的低碳钢管线钢管；

采用机械加工的作用在于：保证预堆焊层的洁净，防止因杂质的存在引起堆焊层夹渣缺陷；

2、分区堆焊

管端预补口堆焊层由打底层和盖面层构成如(图5)所示；打底堆焊层采用镍基焊材，宽度约30mm左右，厚度约1.2mm左右，采用 TIG移距移位摆动堆焊；盖面层的宽度约30mm左右，厚度约1.2mm 左右，采用TIG移距移位摆动堆焊；堆焊层远离管端一侧的焊道均采用TIG不送丝摆动固溶处理，同时熔化堆焊层和底层金属使之与底层的外观界面呈斜坡状过渡；

采用该方法的作用在于：a、打底堆焊过程会引起耐蚀合金成分的稀释和碳化铬针孔的形成，在打底堆焊层表面再进行盖面堆焊可以防止该不利因素的出现；b、摆动固溶的作用在于使靠近底层的固溶层因镍、铬含量较低而接近底层金属的成分，靠近不锈钢堆焊层的固溶层因镍、铬含量较高而接近顶层金属的成分，可以保证盖面双相不锈钢堆焊层的耐腐蚀性能；c、采用镍基合金打底堆焊是为了使金属陶瓷铁基过渡层与打底镍基堆焊层互熔从而提高该部位的镍、铬含量，保证过渡层与盖面堆焊层外观结合部的耐腐蚀性能；

3、管端内堆焊层加工

将预补口堆焊的钢管装卡在车床上对管端盖面内堆焊层进行车削加工，加工要求盖面堆焊层平整，每根钢管内孔一致；

加工的作用在于：a、使每批量的管线钢管内径一致，便于对口焊接施工；b、使盖面堆焊层外表面与金属陶瓷内覆层持平；

4、自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆

在钢管内装填金属陶瓷铝热剂粉料，金属陶瓷铝热剂粉料主要由 Al和Fe₂O₃粉末组成；将装填粉料的钢管置于离心机上旋转并在一定气氛中点燃粉料，自蔓延金属陶瓷粉料的主要化学反应为：>2O₃＝Al₂O₃+2Fe+836KJ/mol(836千焦每摩尔)，粉料点燃后通过铝热产生的热能使铁基粉料熔化并随着钢管的旋转均匀的熔结在钢管内壁形成过渡层并与打底堆焊层持平，质量较轻的刚玉层熔结在表面形成陶瓷层并与盖面堆焊层持平，金属陶瓷内覆后的钢管可以空冷，也可以水冷，冷却后钢管内各层间的搭接覆盖结构如(图6)所示；

5、管端热处理

将内覆后的钢管装卡在旋转机构上，通过中频感应对管端内壁金属陶瓷层与堆焊层外观界面进行感应加热处理，加热温度900～1000 ℃然后旋转空冷；

采用管端热处理的原因是因为预补口堆焊层平面高于基管底层，粉料熔化后该位置的铝热剂数量较少且处于钢管管端因而温度较中间部位低；采用管端感应热处理的作用在于：使存在于打底堆焊层与金属陶瓷层之间的铁基过渡层离子双向扩散并使其微观组织更加均匀，使过渡层形成高含镍、铬的合金，有利于保证表面结合部的耐腐蚀性能；

本发明的作用在于：

1、通过双相不锈钢预补口堆焊解决了金属陶瓷内覆钢管的管口组对焊接难题，使高性能的金属陶瓷内覆钢管可以直接应用于易腐蚀、易结垢、易磨损的高温高压液体介质输送管道中。

2、通过镍基合金打底堆焊使覆盖打底堆焊层的铁基过渡层与镍基合金互熔，形成高含镍、铬的合金，保证了表面结合部的耐腐蚀性能；

本发明的意义在于：

实现了高温高压钢质管道内防腐和内补口作业的工厂化、标准化；为陆上或海底高压回注水管道、高温高压注蒸汽管道以及极端恶劣介质的输送提供了一个新选择，对于提高钢质管道寿命、降低管道腐蚀泄漏的安全环保风险、减少资源浪费具有重要意义。

本发明的具体实施步骤如下：

(一)钢管管端机械预处理：机械加工钢管管端内壁，保证管道内壁在一定的深度尺寸和公差范围之内，保证机械加工面清洁露出金属本色如(图4)所示；

(二)分区堆焊：1)采用三维数控TIG管端内壁自动堆焊机在加工处理过的管端内壁进行镍基合金打底层的堆焊并固溶处理；2) 采用三维数控TIG管端内壁自动堆焊机在打底堆焊层上面进行双相不锈钢盖面层的堆焊并固溶处理，分区堆焊如(图5)所示；

(三)内堆焊层机械加工：采用管子车床对内堆焊盖面层进行加工，预留盖面堆焊层厚度根据金属陶瓷内覆层厚度确定，加工要求盖面堆焊层平整，每根钢管内孔一致；

(四)自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆：1)在钢管内部装填铝热金属陶瓷粉料，装填数量和配比根据所需陶瓷层厚度和所需发热量确定；2)将装填好的钢管置于离心机上；3)启动离心机使钢管旋转，转速由内覆工艺确定；4)点燃铝热剂金属陶瓷粉料，使粉料熔化并随着钢管的旋转均匀熔敷在钢管内表面；5)随着铝热剂燃尽，钢管逐渐冷却，待钢管冷却内覆层凝固后金属陶瓷内覆完成；完成后的金属陶瓷铁基过渡层与打底堆焊层持平；刚玉陶瓷层与盖面堆焊层持平如(图6)所示；

(五)将冷却后的钢管装卡在旋转装置上，利用中频感应电源对钢管管端内壁金属陶瓷层与堆焊层外观界面进行热处理，加热温度 900～1000℃，恒温时间约5min左右。

(六)将完全冷却后的钢管装卡在机械设备上加工焊接用坡口，坡口可以是V型或U型，以适应手工电弧焊或自动焊的需要；

至此，预补口金属陶瓷(DSHS)内覆钢管加工完成；钢管如需要外防腐可在其他生产设备上完成；该钢管组对焊接后的形态如(图7) 所示；

本发明的特征在于：

1、所述步骤(二)中的镍基合金+双相不锈钢分区堆焊并固溶处理；

2、所述步骤(四)中的自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆，完成后的金属陶瓷铁基过渡层与打底堆焊层持平，刚玉陶瓷层与盖面堆焊层持平，覆盖打底堆焊层的铁基过渡层与镍基堆焊层互熔形成高含镍、铬的合金；

3、所述步骤(五)中的利用中频感应电源对钢管管端内壁金属陶瓷层与堆焊层外观界面进行热处理；

本发明的原理在于：

1、自蔓延(SHS)金属陶瓷层具有优秀的耐磨、耐蚀、耐高温高压和防结垢的特性，可以满足高温高压输送管道对内防腐层的特殊要求；镍基合金+双相不锈钢分区堆焊对金属陶瓷内覆钢管进行预补口处理，可以解决金属陶瓷内覆钢管不易焊接的技术瓶颈；其中对堆焊层的固溶过渡可以分别实现预补口堆焊层与金属陶瓷铁基过渡层和刚玉陶瓷层的平滑覆盖搭接，采用镍基合金打底堆焊可以提高陶瓷层与堆焊层之间的铁基过渡层的镍、铬含量，保证该部位的耐腐蚀性能；靠近坡口端全部采用双相不锈钢堆焊可以保证管线组对焊接性能；

2、对钢管管端内壁金属陶瓷层与堆焊层外观界面进行热处理，可以使存在于打底堆焊层与金属陶瓷层之间的铁基过渡层离子双向扩散，使高含镍、铬的合金过渡层微观组织更加均匀，有利于保证表面结合部位的耐腐蚀性能

发明效果

本发明的优势在于：

1、解决了金属陶瓷内覆钢管组对焊接技术难题，使自蔓延金属陶瓷内覆钢管在保证焊口质量和内防腐层连续的前提下，可以应用于钢质焊接管道；

2、为高温高压内壁重防腐管道提供了一个新选择；

附图说明

图1为环氧玻璃钢补口短节连接的剖面图：

图中：1)补口短节连接焊缝；2)环氧玻璃钢内管；3)柔性密封；4) 隔热材料；5)补口短节对接焊缝；6)补口短节外管；

图2为激光陶瓷层焊接或陶瓷封堵剂封堵陶瓷层仅焊接金属层的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)铁基过渡层；3)刚玉陶瓷层；4)陶瓷封堵剂；5)不锈钢焊缝；

图3为预补口金属陶瓷(DSHS)内覆钢管的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)铁基过渡层；3)刚玉陶瓷层；4)双相不锈钢堆焊层；5)坡口；

图4为机械加工基管管端内壁的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)加工面；3)内倒角；

图5为管端预补口堆焊层的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)镍基合金打底堆焊层；3)双相不锈钢盖面堆焊层；4)打底堆焊固溶过渡区；5)盖面堆焊固溶过渡区；6) 不堆焊区；

图6为冷却后钢管内各层间的搭接覆盖结构的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)铁基过渡层；3)刚玉陶瓷层；4)镍基打底堆焊层；5)双相不锈钢盖面堆焊层；

图7为钢管组对焊接后的剖面图：

图中：1)低碳钢基管；2)铁基过渡层；3)刚玉陶瓷层；4)双相不锈钢堆焊层；5)双相不锈钢焊缝；

具体实施方式

(一)按步骤一将预进行预补口固溶堆焊的钢管装卡在数控机床上，按设计要求加工内孔，保证预堆焊面洁净；

(二)按步骤二对管端内壁进行镍基合金+双相不锈钢分区堆焊；

(三)按步骤三进行对内堆焊层机械加工；

(四)按步骤四对钢管内壁进行自蔓延(SHS)金属陶瓷内覆；

(五)按步骤五对钢管管端进行热处理；

(六)按步骤六对钢管进行坡口加工。

(七)完成；

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。