一种陶瓷内衬复合钢管的连接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种陶瓷内衬复合钢管的连接方法。

背景技术：
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在石油工业中，管道的腐蚀严重影响油、气、水集输系统的可靠性和使用寿命。由于石油天然气中含有大量H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀介质，因此运输管道的内腐蚀问题十分突出。腐蚀破坏所引起的恶性事故会造成巨大的经济损失和严重的社会后果。

陶瓷内衬复合钢管采用自蔓延高温合成-离心法制备(中国专利，申请号01139227.4)，该复合钢管由三层组成：外侧金属层、过渡层、氧化铝陶瓷层。陶瓷内衬复合钢管具有优异的耐腐蚀、耐结垢、耐机械冲击等性能，可有效解决石油工业中运输管道的内防腐问题，具有巨大的经济、社会效益。

然而，要想将陶瓷内衬复合钢管应用于石油工业中，必须解决其连接问题以及连接接头位置的防腐问题。传统的电弧焊接仅能实现外侧金属层之间的冶金连接，而难以实现内衬陶瓷层之间的连接，这将导致腐蚀介质流入焊缝腐蚀钢管。任峰德等(中国专利，申请号201210573115.0)采用激光焊接陶瓷内衬层、激光熔覆陶瓷层、氩弧焊过渡金属层以及电弧焊金属层实现了陶瓷内衬复合钢管的可靠连接。杨胶溪等(中国专利，申请号201510448405.6)首先对过渡层及陶瓷层进行激光深熔焊接，使过渡层及陶瓷层达到熔化对接，然后添加一种自熔性Ni基耐蚀合金粉末进行激光填粉焊接，最终实现了复合钢管的高强度连接。但以上两种连接方式中激光焊接成本较高，且激光焊接设备复杂，运输、安装、调试均十分不便。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种陶瓷内衬复合钢管的连接方法，该方法成本低，实施简便，特别是便于施工现场操作。

本发明的具体技术方案为：

一种陶瓷内衬复合钢管的连接方法，所述陶瓷内衬复合钢管由外至内依次为外侧低碳钢金属层、纯铁过渡层和内衬陶瓷层，其中内衬陶瓷层的组成为：Al₂O₃为80-90wt.％，FeAl₂O₄为5-10wt.％，SiO₂为1-5wt.％，残余单质Fe为1-5wt.％；该陶瓷内衬复合钢管的连接方法包括如下步骤：

(1)坡口加工：对陶瓷内衬复合钢管进行“V”型坡口加工，坡口角度为70-90°，钝边为陶瓷层厚度，如图1；

(2)玻璃焊料的预制：第一种方式为：将玻璃焊料制备焊料浆料后涂覆于焊口对应的陶瓷层内壁上；第二种方式为：在玻璃焊料中加入石蜡后轧制成柔性片状焊料，并将该片状焊料放置于焊口对应的陶瓷层内壁上；

(3)预烧结：对预制好玻璃焊料的陶瓷内衬复合钢管进行预烧结处理，加热温度为500-550℃，升温速度为5-15℃/min，保温时间为20-30min，冷却方式为随加热装置冷却或在空气中冷却；

(4)接头装配：两根预烧结好的陶瓷内衬复合钢管按对接方式进行装配，错边量小于0.5mm，间隙宽度为0.05mm-0.2mm；

(5)电弧焊接：接头装配完成后对焊口进行预热处理，然后进行焊接；打底焊采用氩弧焊，填充和盖面采用焊条电弧焊；其中，所述氩弧焊工艺参数为：焊接电流80～120A，焊接电压为10-18V，焊接速度5-10cm/min，焊丝直径为2.0mm；所述焊条电弧焊(手工电弧焊)工艺参数为：焊接电流90～120A，焊接电压20-28V，焊接速度5-15cm/min，焊条直径为3.2mm。

上述步骤(2)中，所述玻璃焊料的制备原料包括基础成分和低膨胀填料，其中：所述低膨胀填料为PbTiO₃或ZrSiO₄，低膨胀填料占基础成分的5％-15wt.％；基础成分按重量百分含量计的组成为：Bi₂O₃：30-60％，ZnO：5-20％，B₂O₃：10-30％，BaO：5-20％，SiO₂：5-10％，Fe₂O₃：1-5％，GeO₂：1-5％。所述玻璃焊料是将基础成分和低膨胀填料混合并球磨成粉后制得；所述玻璃焊料在内衬陶瓷层表面的润湿角小于20°，对应温度为550-600℃，热膨胀系数为7×10^-6/℃～8×10^-6/℃。

上述步骤(2)中，玻璃焊料的第一种预制方式为：将粉状玻璃焊料、乙醇(30-40wt.％)和粘结剂(1-5wt.％)混合均匀并调成膏状焊料浆料，采用毛刷或喷涂设备将焊料浆料涂覆于焊口对应的陶瓷层内壁上，涂覆宽度(沿管轴向方向的长度)为4-5mm，涂覆厚度为2-3mm；玻璃焊料的第二种预制方式为：在粉状玻璃焊料中加入石蜡(玻璃焊料：石蜡＝9：1(重量比例))，在加热的情况下混合均匀，然后采用轧机将其轧制成厚度为2-3mm、宽度为4-5mm的片状焊料，再将片状焊料放置于焊口位置对应的钢管内壁上。

上述步骤(3)预烧结过程中的加热方式可为炉中加热或履带式加热器加热。

上述步骤(5)中，所述预热处理过程为：接头装配完成后，对焊口两侧50-100cm距离范围内的复合钢管进行预热处理，预热温度为50-200℃。

上述步骤(5)中，打底焊与填充焊的时间间隔小于1min。

本发明的优点和有益效果如下：

(1)本发明方法是针对外侧为低碳钢金属层、内衬为氧化铝陶瓷层的陶瓷内衬复合钢管，将玻璃封接和电弧焊接复合在一起，通过选择合适的工艺参数，能够在焊接外侧钢管的同时，实现内衬陶瓷层之间的可靠连接；

(2)本发明方法中选用了特定配方的玻璃焊料，该焊料在内衬陶瓷层表面的润湿角小于20°，且热膨胀系数(7×10^-6/℃～8×10^-6/℃)与内衬陶瓷层十分匹配；并且该玻璃焊料能够保证利用电弧焊的焊接余热实现内衬陶瓷层的连接，同时保证封接强度；

(3)本发明有效利用了电弧焊的焊接余热，减少能量的浪费；

(4)本发明的预处理步骤均可在焊前完成，现场施工时只需进行常规的焊接操作即可，具有简便、易行的特点。

附图说明：

图1为陶瓷内衬复合钢管接头装配结构示意图。

图2为实施例1中接头示意图。

图3为实施例1中陶瓷内衬复合钢管焊后宏观照片；其中：(a)为外侧焊缝；(b)内侧焊缝。

图4为实施例1中陶瓷层焊缝的微观结构照片。

具体实施方式:

以下结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

母材：陶瓷内衬复合钢管，由外至内依次为外侧低碳钢金属层、过渡层和内衬陶瓷层(外径：76mm，总壁厚：9mm，陶瓷层厚度：2mm)；内衬陶瓷层的组成为(wt.％)：Al₂O₃为80-90％，FeAl₂O₄为5-10％，SiO₂为1-5％，残余单质Fe为1-5％。

(1)材料准备；对陶瓷内衬复合钢管进行坡口加工。坡口角度：90°；钝边：陶瓷层厚度。

(2)玻璃焊料；所用基础玻璃的成分为(wt.％)：Bi₂O₃：45％，ZnO：10％，B₂O₃：25％，BaO：8％，SiO₂：6％，Fe₂O₃：4％，GeO₂：2％。基础玻璃与PbTiO₃填料的比例为9:1。两者经球磨成粉后作为玻璃焊料使用。

(3)玻璃焊料预制；将乙基纤维素溶解于松油醇中(乙基纤维素：松油醇＝1：10(质量比)用作粘结剂。将玻璃粉、乙醇和粘结剂混合调成膏状焊料浆料，焊料浆料中粘结剂占1wt.％，乙醇占30wt.％。采用毛刷将玻璃浆料涂覆于焊口的陶瓷层内壁。涂覆宽度为5mm，涂覆厚度为2mm。

(4)预烧结；对预制好玻璃焊料的陶瓷内衬复合钢管进行预烧结处理，加热方式为马弗炉中加热，预烧结温度为530℃，升温速度为5℃/min，保温时间为30min，保温结束后在空气中冷却。预烧结一方面使玻璃焊料致密化，减少焊后玻璃焊料中的气孔；另一方面使玻璃焊料固定于复合钢管内壁，防止运输及焊接过程中玻璃焊料脱落。

(5)接头装配；按图2所示进行装配，间隙宽度约0.2mm，以便利用毛细作用使玻璃焊料熔化后自动流入内衬陶瓷层之间的间隙。

(6)焊前预热；接头装配完成后，对焊口两侧100cm距离范围内的复合钢管进行预热处理，预热温度为50℃。预热的目的是降低复合钢管在焊后的冷却速度，增加玻璃焊料在高温的停留时间，进而降低玻璃焊缝中的气孔含量。预热温度过低不能起到上述作用，预热温度过高将使玻璃焊料过度流散。

(7)电弧焊接；焊接道次为3，打底焊采用手工氩弧焊，以防止未焊透问题，填充及盖面焊均采用手工电弧焊。并且打底焊与填充焊的时间间隔小于1min，其原因是前两个焊接道次对玻璃焊料的温度影响较大，快速进行第二道焊有助于增加玻璃焊料在软化温度以上的停留时间，进而改善玻璃焊料的成型质量。氩弧焊工艺参数为：焊接电流100A，焊接电压为18V，焊接速度6cm/min，焊丝型号ER50-6，焊丝直径为2.0mm；手工电弧焊工艺参数为：焊接电流110A，焊接电压22V，焊接速度6cm/min，焊条型号E5015，焊丝直径为3.2mm。图3为陶瓷内衬复合钢管焊后宏观照片，外层焊缝和内层焊缝均成型良好。图4为陶瓷层焊缝的微观结构照片，从图中可见玻璃焊料层中无气孔、裂纹等缺陷，表明内衬陶瓷层之间实现了冶金连接。