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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流热喷涂技术在石油化工中的应用.精品文档.热喷涂技术及其应用相关专题： 电镀 时间：2009-08-12 10:54 来源： 中国电镀网 1 表面工程及热喷涂技术的特点及发展 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面和非金属表面的形态、化学成份和组织结构和应力状态，以获得所需要表面性能的系统工程。 表面工程综合了多个领域的基础理论、技术和最新成果。表面工程技术因在基体材料表面制造了一层涂层或薄膜，或通过表面改性赋予材料许多特殊性能，使材料的表面性能大大优于材料基体，不仅能大大延伸基体材料的应用
2、领域，而且解决了许多领域中材料无法满足环境要求的问题。表面工程技术在解决人类发展中遇到资源、能源、环境等共同问题中起着不可替代的重要作用。 由于表面工程技术节能、节材，从而保护了人类赖以生存的宝贵资源，同时还对环境保护起到了非常关键的作用。21世纪表面工程技术将渗透各行各业，推动社会文明、提高生活质量。 热喷涂技术是表面工程中的一个重要分支，它是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融化状态，并将加速形成的熔滴高速喷向基体形成涂层。涂层具有耐磨损、而腐蚀、而高温和隔热等优异性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。热喷涂技术的应用主要包括：长效
3、防腐、机械修复及先进制造技术、模具制作与修复、制造特殊的功能涂层等四个方面。目前，热喷涂技术已广泛应用于几乎所有工业领域以及家庭用品（如不粘锅、红外线保健电热器等）。 20世纪末，热喷涂技术的发展十分迅速，并迅速被推广使用。1980年到2000年，热喷涂市场的变化见表1。到20世纪末，等离子喷涂仍然居主导地位。值得注意的是，高速火焰喷涂（HVOF）迅速发展，将占据25%的市场比例，居第二位。电弧喷涂技术，由于经济性好、涂层性能比火焰喷涂层优越，将部分代替火焰喷涂技术上升到第三位。表1 主要热喷涂方法的应用比例 年份 火焰喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 高速火焰喷涂 1980年 39% 6% 55%
4、 - 2000年 12% 15% 48% 25% 2 热喷涂技术的应用 热喷涂技术目前已经得到了广泛的应用，其主要应用领域如表2所示。表2 热喷涂涂层的主要应用领域 领域 主要类型 涂层材料类型 防护涂层 阳极性防护涂层（抗大气压及浸渍腐蚀涂层） Zn、Al、Zn-Al合金、Al-Mg合金、Al-Re 阴极性防护涂层（抗化学腐蚀涂层） 不锈钢、有色金属及合金、氧化物陶瓷、塑料等高分子材料 抗高温氧化涂层 Ni基、Co基合金、MCrAIY合金、氧化物陶瓷 强化涂层 耐磨粒磨损及冲蚀磨损 碳化物+金属、自熔性合金、氧化物陶瓷 耐摩擦磨损涂层 Mo或Mo+合金；有色金属及合金；自熔性合金；氧化物陶瓷
5、 在强腐蚀介质中耐磨涂层 自熔性合金、高合金、陶瓷 特殊功能涂层 热障涂层 氧化物陶瓷 可磨密封涂层 金属+非金属复合材料 热辐射涂层 氧化物复合材料 导电屏蔽及防辐射涂层 金属 固体润滑涂层 金属+非金属复合材料 超导、耐电、高温塑料等特殊涂层 近年的发展趋势和特点是：（1）大面积长效防护技术得到广泛应用，对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件采用喷涂铝、锌及其合金涂层，代替传统的刷油漆的方法，实行阴极保护进行长效大气防腐；（2）采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化；（3）超音速火焰喷涂技术的应用：（4）气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用；（5）高速、自动氧乙炔火焰末喷涂技术发展
6、迅速；（6）热喷技术在化工防腐工程中得到应用；（7）激光重熔技术开始应用。目前，热喷涂技术在军事、水利、电力、化工、建筑、环保、生物等众多工程领域等方面得到了日益广泛的应用，热喷涂在海洋工程方面也得到了广泛应用。对船身、甲板、驳船、大平底船、拖船等，热喷涂都取得了良好的长效保护效果。 3 热喷涂技术在化工、石油行业中的应用 在化工行业中，腐蚀尤为严重，它不仅造成大量材料和设备损失，而且因腐蚀造成的企业停产。安全事故及环境污染所带来的损失更难以估量的。防止“跑、冒、滴、漏”是化工企业设备管理的主要任务之一。集多种工艺方法于一身、以表面强化为宗旨的热喷涂技术可以喷涂所有的固态工程材料，并具有良好的
7、化学稳定性，目前在化工行业中已得到日益广泛的应用。化工介质往往含有硫及氧，如燃料、酒精、醋酸、甲苯、甘油、糖浆的储罐，原轴套机械密封和叶轮，均可通过热喷涂解决防腐。对一般弱腐蚀介质可以通过金属热喷涂铝、锌、不锈钢加封闭解决，对强酸、碱等通过塑料火焰喷涂环氧、聚四氟乙烯等解决。效果十分显著。热喷涂在化工行业中的典型应用有如下几个方面：1、以低级材质 和加热喷涂层取代不锈钢、钛合金等高级材质不锈钢。2、可作为化工反应罐、贮罐、搅拌装置和管道的防腐涂层。3、可作为搪玻璃设备崩瓷损坏的良好修补层。 热喷涂在石油工业中也得到了广泛的应用。热喷涂已成功用于石油勘探，开采等设备的修复和防护。热喷涂涂层已成功
8、用于石油钢管、海洋平台的长效防腐。某井下作业公司工程安装公司引进的电弧喷涂技术，较好地解决了金属防腐难题，填补了油田金属防腐空白。工程安装公司目前已将该技术应用到线材、板材、型材及金属设备中，喷涂后的产品防腐能力提高了2倍以上热喷涂技术在石油化工中的应用?xml:namespace prefix = o /腐蚀和磨损是危害石油石化工业生产的严重问题。据调查，我国石油石化工业每年因磨损和腐蚀所造成的直接经济损失达数亿元。我国石油工业中的管道、储罐、油井套管等设施的腐蚀和磨损情况，随着我国油气田开发年限和设备使用年限的增长越来越严重；而我国石化工业中，随着进口高含硫?的炼制，设备的腐蚀问题同样日益
9、严重。所以，因腐蚀和磨损对设备安全稳定运行带来的不利影响会越来越突出，迫切需要提高石油石化工业中开采和加工设备的耐磨性和耐蚀性，热喷涂防腐、耐磨涂层是目前最有效的方法之一，石化防腐、石化设备修复、提高设备耐磨性可以节省大量成本。对磨损、腐蚀造成零件失效的研究表明，这些失效大都发生在材料表面3-4mm。利用表面工程的技术手段对材料表面进行处理，改善材料的表面性能，会有效地延长零件使用寿命，因此，表面工程在石油石化工业中具有重要地位。热喷涂技术是表面工程中重要的表面处理技术，它是指在保持零件本体材料原有性能的基础上，通过在其表面制备一层具有优越性能的覆盖层，赋予零件表面耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧
10、化、抗疲劳等多种性能。采用热喷涂技术的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，其厚度仅为结构尺寸的几十分之一，却使零件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等性能。即使采用性能优异的贵重、稀有元素，也不会显著增加成本。此外，热喷涂技术还能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化、修复、预保护，以达到延长使用寿命或重新恢复使用价值的目的。所以，采用热喷涂技术的经济效益和社会效益是十分巨大的。二、热喷涂技术的特点及其常用方法热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线材或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体，在其上形成覆盖
11、层。这种覆盖层称为喷涂层。与其他表面涂层技术相比，热喷涂技术具有以下特点：（1）方法多样。热喷涂方法多达十几种，为制备涂层提供了多种手段（2）涂层基体材料不受限制。热喷涂可以在几乎所有固体表面制备涂层，如金属材料、无机材料（玻璃、陶瓷）和有机材料（木材、布、纸）等。（3）喷涂材料的种类选择范围广泛。几乎所有的金属、合金、陶瓷、塑料等都可以作为喷涂材料。（4）被喷涂物体的尺寸、大小和形状不受限制。既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂。既可喷涂零件，又可对制成后的结构进行喷涂。（5）可赋予普通材料以特殊的表面性能。可使材料满足耐磨、耐蚀、抗高温氧化、隔热、密封等特殊性能要求，达到
12、节约贵重材料，提高产品质量，满足多种工程和尖端技术的需要。 （6）涂层厚度较易控制。薄者可为几十微米，厚者可为几毫米。（7）成本低。经济效益显著。由此可见，热喷涂技术具有工艺灵活、适用性强、易于推广、经济及其他工艺所不能替代的特点，在表面工程中占据着重要地位。目前，在生产实践中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂（包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂。三、热喷涂技术在石油石化工业中的应用现状1、修复石油机械随着先进制造技术及设备工程学的不断发展，制造与维修将越来越趋于统一，“维修”已被赋予了更广泛的含义。1984年美国“技术评论”提倡旧品翻新或再生，并称
13、为“重新制造”。重新制造所需能源约为制造新品的20%60%，价格只有新品的40%60%。许多采用热喷涂技术处理过的旧零部件，其性能要优于新品。石油钻机等设备中一些大功率曲轴，油田使用的各种重型车辆、拖拉机、柴油机的曲轴等磨损后均可采用热喷涂技术进行修复。如可采用电弧喷涂3Cr13涂层或等离子喷涂陶瓷涂层来修复。这样既可显著降低成本，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。还可采用热喷涂方法恢复加工超差零部件或强化耐磨件表层。油田使用的各类泵的柱塞、缸套、叶轮等零件均可采用多种热喷涂方法进行修复。如可采用超音速火焰喷涂WC-12Co或等离子喷涂Al2O3等来修复和强化，也可采用
14、电弧喷涂1Cr13钢丝进行修复。采用热喷涂技术修复后的柱塞使用寿命高于表面淬火柱塞，略低于工作表面喷焊镍基合金的柱塞。对于一些大直径柱塞，由于变形而无法采用喷焊进行修复时，热喷涂则不失为一种无变形、低成本的最佳修复方法。国内曾修复一个12吨的柱塞，喷涂层重达33公斤，涂层作封孔处理后，使用性能优于新柱塞，而成本只有新柱塞的1/4。油田注水泵电动机及?、盐化系统使用的大功率电动机转子，可采用热喷涂技术对其磨损的轴颈部位进行修复。2、提高机械零件的耐磨性?厂的催化裂化装置，一般采用烟气能量回收系统。但由于烟气轮机是在带有固体催化剂微粒及有腐蚀介质的高温烟气流下工作，其动、静叶片等零部件易受冲蚀，其
15、使用寿命只有212个月。而采用等离子喷涂技术在动、静叶片表面喷涂合金粉末，可提高动、静叶片的抗冲蚀磨损性能，从而延长烟气轮机的使用寿命。3、喷涂石油机械零件耐磨耐蚀球阀：对于工作在温度达540，压力达140MPa的含有腐蚀性砂浆的管道中的金属座球阀，应用超音速火焰喷涂WC-Co涂层、Cr2C3-NiCr涂层、Fe-Cr-Ni-Mo涂层或WC-Ni涂层，可大幅度改善球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能，提高使用可靠性和寿命。抽油杆：为了适应腐蚀油井生产的需要，美国用AISI431不锈钢材料生产了不锈钢抽油杆，该抽油杆的特点是耐腐蚀性好，但成本较高。为了节约成本，美国ContinentalOilCompany
16、利用AISI316不锈钢粉末，对API的C级和D级抽油杆进行了等离子喷涂，制成了喷涂不锈钢抽油杆，该抽油杆也具有防腐性能，但成本比不锈钢的要便宜。抽油泵柱塞：国内对油井抽油泵柱塞加工的一般方法有：表面镀铬、化学镀镍-磷和表面喷焊镍基合金。目前，热喷涂陶瓷涂层作为一种新的处理工艺已被用来制造抽油泵柱塞。采用热喷涂技术在柱塞表面喷涂87%Al2O3+13%TiO2的陶瓷材料形成陶瓷涂层。用这种方法制造的抽油泵柱塞。在含砂井中的运行时间可达两个多月。其寿命为传统工艺所制造柱塞的两倍。钻头：爆炸喷涂WC-Co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。4、容器、管道和塔的防腐油田使用的塔、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。杜邦、联合化工、壳牌等公司在反应发生器内壁已大量使用线材喷涂不锈钢、司太立合金、钼和钛合金。采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂均可解决油田用各种锅炉管道的腐蚀和冲蚀问题