一種用於油氣管道輸送α型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝的製作方法
2023-09-18 06:22:35
專利名稱：一種用於油氣管道輸送α型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油運輸領域，尤其是一種用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝。
背景技術：
石油管道腐蝕問題是影響石油管道系統可靠性和使用壽命的關鍵因素，腐蝕破壞所引起的惡性事故往往造成巨大的經濟損失和嚴重的社會後果。例如，1977年美國阿拉斯加一條長約1287KM，造價80億美元的原油運輸管道，由於對腐蝕研究不均勻和施工時採取防腐措施不當，12年後發生腐蝕穿孔達826處之多，僅修復費用一項就耗資15億美元。我國隨著石油、天然氣的勘探開發進展，含硫化氫、二氧化碳、氯離子及含水等多種腐蝕介質的原油對輸送油、氣管道、管網的腐蝕越來越嚴重。目前輸油輸氣管道內，一般均沒有設置三氧化二鋁的內襯，內層金屬直接裸露在傳輸的介質中，在外部進行塗覆層進行外面的保護，而來自內部的介質如原油的腐蝕通常沒有辦法進行處理，增加了管道來自內部的腐蝕風險，一旦洩露，將會給社會和人們的生活帶來了極大的危害。利用氧化鋁陶瓷獨特的耐高溫、耐磨和抗腐蝕等特性，將氧化鋁陶瓷內襯入石油輸油管道，解決了石油行業輸油管防腐蝕這一困擾多年的問題，可以節省和延長大量的維修維護以及更換費用，具有巨大的經濟、社會效益。這項內襯防腐蝕的新技術目前還沒有得到普遍的在石油的輸氣輸油管道的應用，通常的輸油輸氣管道的長度是有限的，一般為12米左右，因此需要將該管道兩端兩焊接在一起(含氧化鋁陶瓷)而形成長距離的輸油輸氣管道，本項目專門針對該管道的內襯氧化鋁陶瓷焊接的研究，但是由於三氧化鋁陶瓷的物理化學特性不同於金屬，輸油管道內襯三氧化鋁陶瓷的連接、焊接不能採用普通的金屬焊接方式，因此輸油管道內襯三氧化鋁陶瓷的連接、焊接成為石油行業應用陶瓷內襯石油輸油管的不可逾越的障礙。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種陶瓷界面結合良好、管道整體焊接良好的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝。為實現上述目的，本發明一種用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，採用雷射焊接工藝來初步焊接陶瓷內襯，再用雷射熔覆工藝在陶瓷內襯的焊縫處熔覆一層密封陶瓷層。進一步，所述焊接工藝具體為
1)對石油運輸管道的端部進行焊接用坡口處理；
2)在兩根石油運輸管道相互對接端的焊縫處填陶瓷粉末漿料；
3)通過低功率雷射掃描的方式將陶瓷粉末漿料固化，來將焊縫填料焊接密封；
4)用大功率雷射進一步焊接； 5)在步驟4)焊接後的表面上再熔覆一層陶瓷層；
6)在陶瓷層上再熔焊一層金屬層。進一步，所述石油運輸管道外層為金屬層，內層為厚度為2-3_厚的陶瓷內襯。進一步，所述步驟I)中形成的坡口角度為55-65°，坡口形成向外延伸的焊接端，該焊接端包括最內層的a型氧化鋁陶瓷、中間層的陶瓷金屬混合層、最外層的薄金屬層。進一步,所述薄金屬層的厚度不超過0. 1_。進一步，所述步驟2)中兩根石油運輸管道相互對接端的縫隙為0. 1-lmm。進一步，所述步驟3)、步驟4)中採用PG的摻鐿光纖雷射器YLS-1000-CT-Y11做雷射源，進行陶瓷內襯焊接。進一步，所述步驟3)中雷射焊接的功率為500W，焊接速度V=200mm/min，光斑直徑d=0. 5cm，光斑面積為s=0. 19625 cm2，功率密度為2. 547Kw/ cm2。進一步，所述步驟4)中雷射焊接的功率為800W。進一步，所述步驟5)中通過雷射熔覆的方法熔覆陶瓷層，熔覆瓷粉時的雷射功率=800W,直徑 5mm=0. 5cm,面積=0. 19625cm2，功率密度 4. 08Kw/cm2。進一步，所述步驟6)中採用氬弧焊金屬層。本發明利用雷射焊接技術，實現了 a型氧化鋁陶瓷內襯之間的連接問題，並獲得了應用雷射技術進行該項材料焊接的工藝機理。實現了輸油輸氣管道內a型氧化鋁陶瓷內襯的一致連接性能，使得輸油輸氣管道能夠獲得更好的保護作用。
圖1為兩端對接焊接的石油運輸管道的結構示意 圖2為陶瓷內襯結構形式及組分結構示意 圖3為多次焊接後產生的熱裂紋的SEM 圖4陶瓷基體與漿料的焊接界面連接處狀態的SEM 圖5為石油運輸管道整體焊接後的形貌分析SEM圖一；
圖6為石油運輸管道整體焊接後的形貌分析SEM圖二 ；
具體實施例方式下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，並不應理解為局限於這裡敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，並將本發明的範圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。為了易於說明，在這裡可以使用諸如「上」、「下」 「左」 「右」等空間相對術語，用於說明圖中示出的一個元件或特徵相對於另一個元件或特徵的關係。應該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術語意在於包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位於其他元件或特徵「下」的元件將定位在其他元件或特徵「上」。因此，示例性術語「下」可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉90度或位於其他方位)，這裡所用的空間相對說明可相應地解釋。為解決石油運輸管道的腐蝕問題，本發明中的石油運輸管道內壁通過高速離心力的作用附著了一層熔化的氧化鋁陶瓷材料，冷凝後而形成一層陶瓷內襯。其管道結構形式如圖1所示。圖1中為兩段進行對接焊接的石油運輸管道，管道外層為金屬層1，內層為厚度約為2-3_的陶瓷內襯2，兩根石油運輸管道相互對接端的縫隙3約為1_。a型氧化鋁陶瓷有著優良的力學性能、良好的電絕緣性，特別是具有優良的耐腐蝕性能，在耐腐蝕領域，被直接用於防腐或者作為塗層用於防腐。對於絕緣材料氧化鋁來說，通常環境下金屬材料發生的電化學腐蝕根本不會產生，在溶液中產生的腐蝕一般都是化學腐蝕。氧化鋁陶瓷的耐蝕性主要取決於其化學穩定性，其次還受晶界相和各種添加物的影響，微小缺陷都可能會成為發生化學腐蝕的源點。另外陶瓷在製取過程中會使其內部產生殘餘應力，在許多情況下由於應力集中加速了陶瓷的腐蝕或老化。而且，同種陶瓷材料由於製備工藝和添加物的不同，它們的耐蝕性也會有很大差異，在介質腐蝕及高溫氧化過程中會產生明顯的變化。為保證整個管道的耐腐蝕性能，必須解決對接接頭所產生的Imm的縫隙問題，使接頭處的結構、組分與陶瓷內襯完全一致。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問題。世界各國學者和工程工作者都在不斷探求陶瓷的焊接技術，這一技術已成為材料工程領域的熱點研究課題之一。本發明中用於焊接的陶瓷內襯主要組分是a型氧化鋁和陶瓷金屬混合過渡層。在a型氧化鋁的晶格中，氧離子為六方緊密堆積，三價鋁離子對稱的分布氧離子圍成的八面體配位中心，單位晶胞是一個尖的菱面體，晶格能很大，故熔點、沸點很高，不溶於水和酸鹼。陶瓷金屬混合過渡層不是氧化鋁，而是一種氧化鋁含量很高，摻雜一定量的金屬鐵元素，它的化學結構由鹼金屬或鹼土金屬離子類型尖晶石單元交疊堆積而成。a型氧化鋁的熔點高達2050°C，採用電弧焊或電阻焊，焊接溫度不夠，不能獲得滿意的焊接接頭。對於生產中常用釺焊或擴散焊，這兩種方法都只是通過添加金屬釺劑，採用燒結的形式，使接頭連接在一起，不能使陶瓷完全熔化焊接在一起，無法解決腐蝕問題。本發明一種用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，首先對石油運輸管道的端部進行焊接用坡口處理，形成的坡口 4角度為55-65°，坡口 4形成向外延伸的焊接端5，焊接接縫處的焊接端5的陶瓷內襯結構形式、組分如圖2所示。最內層為厚度約為0. 5mm厚的a型氧化鋁陶瓷6，中間層為厚度約為1. 5mm厚，主要成分為含氧化鋁的陶瓷金屬混合層7，最外層為未去除的一層很薄的薄金屬層8，薄金屬層8的厚度不超過0. 1mm。金屬元素的增加會改變陶瓷材料的結構形態，影響陶瓷材料的物理性能，甚者會有可能形象其化學性能，降低材料的耐腐蝕性，增加了可能存在的安全隱患，因此在機加工陶瓷管道焊接坡口是需要儘量減少接頭處金屬層的厚度，一方面可以減少焊接熱量的損失，另一方面增加焊接的可靠性。直接進行陶瓷的雷射焊接會產生熱裂紋，這與陶瓷材料性能和焊接工藝有很大的關係，但最主要的原因是由於焊接過程中的溫度梯度造成的，焊縫處與周邊陶瓷在焊接過程中存在很大的溫度差異，所以在焊接前，需要將焊縫加工處理，儘量使焊接處平整對齊，減少熱影響區。空洞和熱裂紋的出現，進一步驗證了陶瓷材料本身的性質結構。在熔化焊接過程中，空洞和熱裂紋缺陷難以避免，通過填充氧化鋁陶瓷粉末的方式，將空洞可以封堵住，但是裂紋仍然會出現，如圖3所示。本發明中採用先填後焊的工藝方式進行雷射焊接陶瓷內襯，實現了消除了裂紋和空洞的出現。本發明採用PG的摻鐿光纖雷射器YLS-1000-CT-Y11做雷射源，進行陶瓷內襯焊接。具體工藝如下
I)該工藝先在焊接口處填陶瓷粉末(漿料)，再進行雷射焊接。具體工藝步驟如下將陶瓷粉末(漿料)塗刷到焊縫處，通過低功率雷射掃描的方式將漿料固化，實現填料焊接密封的功能，此時的功率為500W，焊接速度V=200mm/min，光斑直徑d=0. 5cm,光斑面積為s=0. 19625 cm2，功率密度為 2. 547Kw/ cm2。2)然後再用大功率焊接，雷射焊接的功率=800W。如圖4所示，陶瓷漿料生成一種乳白色的陶瓷釉面，並將焊縫完全填充，所填陶瓷漿料與陶瓷基體連接界面通過採用SEM可以觀察到能夠較好的熔合在一起。由於焊縫上端部的金屬層斷裂部分被金剛砂輪打掉，無法觀察到陶瓷與金屬的連接形態。由於陶瓷材料沒有經過多次高功率雷射焊接，焊接面熱影響區不明顯，未觀察到明顯的熱裂紋及空孔。在完成上述雷射焊接陶瓷內襯後，實施雷射熔覆陶瓷層通過雷射熔覆的方法，在焊接後的表面再熔覆一層陶瓷釉層，以提高陶瓷焊縫處的密封性。熔覆瓷粉時的功率=800W,直徑 5mm=0. 5cm,面積=0. 19625cm2,功率密度 4. 08Kw/cm2。在完成上述雷射熔覆陶瓷層後，實施氬弧焊過渡金屬層在陶瓷層上再熔焊一層薄金屬層，作為過渡層主要起到兩個作用一是增強陶瓷性的結構強度，二是為下一步氬弧焊接金屬管道增加連接層，防止氬弧焊接溫度對陶瓷接頭造成熱影響。本實施例中，管道材料為36CrMn5、36Mn2V等金屬材料，用H08Mn2Si焊絲的金屬管，由於該材料的熱膨脹係數相互匹配，焊後過渡層沒有裂紋和氣孔焊後一致性較好。採用雷射焊接陶瓷內襯、雷射熔覆陶瓷層、氬弧焊過渡金屬層這三步工藝焊接的石油運輸陶瓷內襯管道，通過SEM可以觀察到陶瓷界面結合良好，各層界面清晰。雖然金屬層底部存在熱裂紋，但不影響陶瓷管道的防腐蝕性能，表明採用這三種工藝能夠獲得良好的焊接接頭。管道不同位置的形貌如圖5、圖6所示。通過以上焊接工藝實驗，採用雷射焊接工藝能夠將兩段管道的陶瓷內襯層焊接在一起，滿足使用要求。本發明實現了利用雷射焊接技術，採用雷射焊接陶瓷內襯、雷射熔覆陶瓷層、氬弧焊過渡金屬層這三步工藝，實現了 a型氧化鋁陶瓷內襯之間的連接問題，並獲得了應用雷射技術進行該項材料焊接的工藝機理。實現了輸油輸氣管道內a型氧化鋁陶瓷內襯的一致連接性能，使得輸油輸氣管道能夠獲得更好的保護作用。
權利要求
1.一種用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於， 採用雷射焊接工藝來初步焊接陶瓷內襯，再用雷射熔覆工藝在陶瓷內襯的焊縫處熔覆一層密封陶瓷層。
2.如權利要求1所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，該焊接工藝具體為 1)對石油運輸管道的端部進行焊接用坡口處理； 2)在兩根石油運輸管道相互對接端的焊縫處填陶瓷粉末漿料； 3)通過低功率雷射掃描的方式將陶瓷粉末漿料固化，來將焊縫填料焊接密封； 4)用大功率雷射進一步焊接； 5)在步驟4)焊接後的表面上再熔覆一層陶瓷層； 6)在陶瓷層上再熔焊一層金屬層。
3.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述石油運輸管道外層為金屬層，內層為厚度為2-3_厚的陶瓷內襯。
4.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟I)中形成的坡口角度為55-65°，坡口形成向外延伸的焊接端，該焊接端包括最內層的a型氧化鋁陶瓷、中間層的陶瓷金屬混合層、最外層的薄金屬層；所述薄金屬層的厚度不超過0. 1mm。
5.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟2)中兩根石油運輸管道相互對接端的縫隙為0. 1-lmm。
6.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟3)和步驟4)中採用PG的摻鐿光纖雷射器YLS-1000-CT-Y11做雷射源，進行陶瓷內襯焊接。
7.如權利要求6所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟3)中雷射焊接的功率為500W，焊接速度V=200mm/min，光斑直徑d=0. 5cm,光斑面積為s=0. 19625 cm2，功率密度為2. 547Kw/ cm2。
8.如權利要求7所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟4)中雷射焊接的功率為800W。
9.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟5)中通過雷射熔覆的方法熔覆陶瓷層，熔覆瓷粉時的雷射功率=800W，直徑Smm=O. 5cm,面積=0. 19625cm2，功率密度 4. 08Kw/cm2。
10.如權利要求2所述的用於油氣管道輸送a型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，其特徵在於，所述步驟6)中採用氬弧焊金屬層。
全文摘要
本發明公開了一種用於油氣管道輸送α型氧化鋁陶瓷內襯的焊接工藝，具體為對石油運輸管道的端部進行焊接用坡口處理；在兩根石油運輸管道相互對接端的焊縫處填陶瓷粉末漿料；通過低功率雷射掃描的方式將陶瓷粉末漿料固化，來將焊縫填料焊接密封；用大功率雷射進一步焊接；在步驟4)焊接後的表面上再熔覆一層陶瓷層；在陶瓷層上再熔焊一層金屬層。本發明利用雷射焊接技術，實現了α型氧化鋁陶瓷內襯之間的連接問題，並獲得了應用雷射技術進行該項材料焊接的工藝機理。實現了輸油輸氣管道內α型氧化鋁陶瓷內襯的一致連接性能，使得輸油輸氣管道能夠獲得更好的保護作用。
文檔編號C23C24/10GK103056515SQ20121057311
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者任峰德, 孟海燕, 徐小龍, 安義, 尋鵬飛 申請人:北京康華盛鴻能源科技發展有限公司