耐磨表面的制备方法及结构、管道、连接阀、作业设备与流程

1.本发明涉及耐磨表面的领域，尤其涉及一种耐磨表面的制备方法及结构、管道、连接阀、作业设备。


背景技术：

2.在石油开采等行业所使用的管道和三通、四通等连接阀，在进行作业时其内部通常承受较大的压力(在石油压裂作业中，压力可达120mpa)，且具有较大的流速(例如流量可达到27m3/min)，同时，内部流动的石油等流体包含较多的颗粒物(压裂液中压裂砂的含量可达30％～50％)。这些因素共同作用，导致管道和连接阀的内壁容易被冲蚀而磨损，特别是在管道的换向处设置的三通、四通等连接阀所承受的冲蚀会更加严重，这些被冲蚀的部位的寿命会比较短，需要频繁地进行更换，导致现场作业和维修保障的工作较为繁重，也导致持续使用的成本和费用较高。
3.现有技术中，为提高管道和连接阀等的耐磨性能，会在被冲蚀的表面粘结耐磨内衬结构(如陶瓷内衬等)。但对于石油管道和三通、四通等连接阀装置，其管道和连接阀体的基础材质通常为金属，而现有的粘结耐磨内衬结构的粘结剂与金属材质的粘结强度不高(一般低于30mpa)，容易出现耐磨内衬剥落等情况，不适用于石油管道等高压作业环境。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种耐磨表面的制备方法及结构、管道、连接阀、作业设备，以解决上述现有技术中粘结的耐磨内衬等结构与基体之间的结合强度低，容易在高压作业环境下脱落等的技术问题。
5.本发明提供的耐磨表面的制备方法，其包括以下步骤：
6.将金属陶瓷粉末黏连在基体上；
7.通过热处理烧结，将金属陶瓷粉末与基体表面冶金结合。
8.其中，所述耐磨表面的制备方法还包括：在将金属陶瓷粉末黏连在基体上之前，将金属陶瓷粉末形成在柔性载体上；
9.在将金属陶瓷粉末黏连在基体上的步骤中，将所述柔性载体黏贴在所述基体表面。
10.其中，所述耐磨表面的制备方法还包括：在将金属陶瓷粉末黏连在基体上之前，将金属陶瓷粉末与粘结剂混合；
11.在将金属陶瓷粉末黏连在基体上的步骤中，将所述金属陶瓷粉末与粘结剂的混合物敷设在所述基体表面。
12.其中，所述耐磨表面的制备方法还包括：
13.在热处理烧结后，对基体进行回火处理。
14.其中，在500～800摄氏度的温度范围内对基体进行回火处理。
15.其中，所述耐磨表面的制备方法还包括：
16.在耐磨表面被磨损后，对被磨损的基体表面重新执行上述在基体上形成金属陶瓷粉末并热处理烧结的步骤。
17.本发明提供的耐磨表面结构，其包括基体和与所述基体冶金融合的金属陶瓷粉末，所述金属陶瓷粉末以上述的耐磨表面的制备方法形成在所述基体上。
18.本发明提供的管道，其内侧表面包括上述的耐磨表面结构。
19.本发明提供的连接阀，其内侧表面包括上述的耐磨表面结构。
20.本发明提供的作业设备，其包括与带压流体相接的接触部，所述接触部的至少部分区域包括上述的耐磨表面结构。
21.本发明提供的上述耐磨表面的制备方法及结构、管道、连接阀、作业设备与现有技术相比具有如下优点：
22.本发明提供的耐磨表面的制备方法，首先在基体表面上黏连金属陶瓷材料，然后通过热处理烧结将金属陶瓷材料与基体冶金结合，在基体的表面形成金属陶瓷层，且所形成的金属陶瓷层与基体之间的结合强度会很高，能够满足在石油开采等高压作业环境中使用的需要而不易被剥落，从而能够延长用于石油开采等高压作业环境中的设备的使用寿命，并降低物料更换的成本。
23.本发明提供的耐磨表面结构，其基体上具有经上述耐磨表面的制备方法所形成的金属陶瓷材料，即基体表面上具有与基体冶金结合的金属陶瓷层，二者之间具有很高的结合强度，能够满足在石油开采等高压作业环境中使用的需要而不易被剥落，从而能够延长用于石油开采等高压作业环境中的设备的使用寿命，并降低物料更换的成本。
24.本发明提供的管道、连接阀和作业设备，其具有上述的耐磨表面结构，能够尽可能地防止表面上形成的金属陶瓷层被剥落，从而延长使用寿命，降低物料更换的成本。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例中的耐磨表面的制备方法的流程示意图；
28.图2为本发明一个实施例中基体的结构示意图；
29.图3为图2所示基体的剖视示意图。
30.图中：
31.10-基体；20-金属陶瓷粉末。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.下面结合附图对本发明提供的耐磨表面的制备方法及结构、管道、连接阀及作业设备的实施例进行说明。
34.(1)耐磨表面的制备方法
35.在本发明一个实施例中，如图1所示，耐磨表面的制备方法包括以下步骤s1～s3。
36.步骤s1，将金属陶瓷粉末20黏连在基体10上，如图2和图3所示。图2和图3所示的基体为用于石油压裂作业的四通。
37.在步骤s1中，金属陶瓷粉末20的组分比例可以选择耐磨性能较好的配比。例如，所选择的金属陶瓷粉末20可以是含有铬(cr)、镍(ni)等金属材料的陶瓷粉末，其中，cr的比例可以为12％(重量)，ni的比例可以在75％(重量)。
38.基体10根据不同的产品种类可以选择不同的材质。一般地，对于用于石油开采等高压作业环境的设备，如石油管道，石油管道上的三通、四通等连接阀，以及在需要在高压的管道等环境内进行作业的设备，为实现足够的结构强度，基体10的材质可以选择为金属材质。
39.金属陶瓷粉末20表面为粉末状，在粉末状态下难以将金属陶瓷粉末20直接黏连在基体10上。在本发明的一个实施例中，为将金属陶瓷粉末20黏连在基体10上，在步骤s1之前，先将金属陶瓷粉末20形成在柔性载体上，柔性载体具体可以是柔性的、可弯折的面状结构，在该面状结构的一侧表面通过黏贴、喷涂等方式将金属陶瓷粉末20形成并附着在该表面上(其可以具有不耐高温的特性，如此，在后续的步骤s2中进行热处理烧结时，柔性载体本身可以以挥发或其他方式从基体上分解出来)。之后，在步骤s1中，即可以将柔性载体，具体是柔性载体的形成有金属陶瓷粉末的一侧表面，黏贴在基体表面。在将柔性载体贴合在基体上时，可以采用粘结的方式。
40.在本发明的另一个实施例中，为将金属陶瓷粉末20黏连在基体10上，还可以在步骤s1之前，先将金属陶瓷粉末20与粘结剂混合，具体可以混合为浆或糊状物质，或者可形变的固体状物质(类似橡皮泥)。在步骤s1中，则将金属陶瓷粉末20与粘结剂的混合物敷设在基体10表面，从而形成金属陶瓷粉末20与基体10之间的黏连。在该实施例中，粘结剂同样可以选择不耐高温的类型，这样在后续的步骤s2中进行热处理烧结时，可以将该粘结剂挥发或以其他方式分解出来。
41.在进行步骤s1时，无需进行较大的设备或者进行复杂的操作，从而能够在有限的空间内进行将金属陶瓷材料粉末20黏连在基体10上的操作，因此，特别适合在管道、连接阀的内侧表面等较为有限的空间内形成耐磨表面。
42.步骤s2，通过热处理烧结，将金属陶瓷粉末20与基体10表面冶金结合，如图3所示。
43.在步骤s2中，将基体10至于高温环境下，在高温环境中，基体10和基体10上的金属陶瓷粉末20可以以冶金结合的方式烧结为一体，从而在基体10的表面形成一个金属陶瓷层。在烧结所形成的结构中，金属陶瓷层和基体10之间具有较高的结合强度，可达到350～450mpa，同时基体10表面的金属陶瓷层的硬度可以达到60～80hrc，厚度2～5mm。在应用于石油开采作业等高压作业环境时，可以具有足够的耐磨性能，在用于石油管道及石油管道中的连接阀等设备时，可以改善石油管道内含压裂砂等颗粒物的流体造成的冲蚀磨损现象，有助于提高石油管道及石油管道上的连接阀的使用寿命。特别是，对于石油管道的换向处，如三通、四通等所设置位置，由于被压裂砂等物质冲蚀的更加严重，其使用寿命明显短
于石油管道的其他部位，在现有技术中需要经常地更换这些三通、四通等部件。但在采用本发明的方案后，可以更明显地改善这些三通、四通部位的耐磨性能，更明显地提高其使用寿命，降低更换物料的使用成本及石油管道的使用维护成本。
44.步骤s3，在热处理烧结后，对基体10进行回火处理。
45.在步骤s3中，对基体10进行回火处理，其目的在于恢复基体10的机械性能。可以理解的是，在对基体10进行热处理时，基体10本身的机械性能会发生一定的变化，通常是机械性能的降低。而对于石油开采等高压作业环境中，所使用的管道、连接阀及相关的作业设备，是要求具有较高的机械性能的，否则就不能满足作业的需要。在进行步骤s2之前，基体的机械性能符合要求，但在经过步骤s2中的热处理烧结后，基体10的机械性能就难以达到要求。因此，在步骤s3中，通过对基体10进行回火处理，重新使基体10具有足够的机械性能，能够满足石油开采等高压作业环境的要求。
46.具体地，在步骤s3中，可以在500～800摄氏度的温度范围内对基体10进行回火处理。
47.对于经上述步骤s1～s3所制备形成的耐磨表面，在高压作业环境中使用一段时间后，可能会出现金属陶瓷层被磨损的情况，在本发明的一个实施例中，对于发生部分磨损的金属陶瓷的耐磨层，可以重复上述步骤s1～s3，在被磨损的金属陶瓷的耐磨层的表面重新形成新的金属陶瓷耐磨层，从而在基体10表面恢复耐磨表面的耐磨性能。相比于更换石油管道及管道上的三通、四通等连接阀，其成本会更低，从而有助于降低整体的石油管道的使用维护成本。
48.(2)耐磨表面结构
49.在耐磨表面结构的一个实施例中，其包括基体和与所述基体冶金融合的金属陶瓷粉末，该所述金属陶瓷粉末以上述的耐磨表面的制备方法形成在所述基体上。也即是，本实施例中的耐磨表面结构包括基体和金属陶瓷耐磨层，且金属陶瓷耐磨层和基体之间经热处理烧结而冶金结合，从而使基体和金属陶瓷耐磨层之间具有足够的结合强度，能够满足在石油开采等高压作业环境中使用的要求，从而能实现更长的使用寿命，降低频繁更换管道、连接阀等设备的成本。
50.(3)管道
51.在管道的一个实施例中，管道包括基体，在管道的内侧表面形成上述耐磨表面结构的实施例中所述的耐磨表面结构。
52.本发明实施例提供的管道，其内侧表面具有上述的耐磨表面结构，在金属陶瓷耐磨层和基体之间具有足够的结合强度，在应用于石油开采等高压作业环境时，金属陶瓷耐磨层不易从基体上脱落，从而能够延长管道的使用寿命。
53.(4)连接阀
54.在连接阀的一个实施例中，连接阀包括基体，在连接阀的内侧表面形成上述耐磨表面结构的实施例中所述的耐磨表面结构。
55.本发明实施例提供的连接阀，其内侧表面具有上述的耐磨表面结构，在金属陶瓷耐磨层和基体之间具有足够的结合强度，在应用于石油开采等高压作业环境时，金属陶瓷耐磨层不易从基体上脱落，从而能够延长连接阀的使用寿命。
56.(5)作业设备
57.在作业设备的一个实施例中，作业设备包括与带压流体相接的接触部，带压流体具体可以是石油开采中的压裂液等。在作业设备的表面形成上述耐磨表面结构的实施例中所述的耐磨表面结构。
58.本发明实施例提供的作业设备，其表面具有上述的耐磨表面结构，在金属陶瓷耐磨层和基体之间具有足够的结合强度，在应用于石油开采等高压作业环境时，金属陶瓷耐磨层不易从基体上脱落，从而能够延长连接阀的使用寿命。
59.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
60.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。