一种管道内壁高频感应熔覆的装置及方法与流程

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种管道内壁高频感应熔覆的装置及方法。

背景技术：

在石油化工行业，由于管道常用于恶劣复杂的工作环境，故管道的内壁经常发生严重损伤，如腐蚀、损伤等，从而造成巨大的财产损失和人员伤亡。因此，大量管状工件的内表面需要改性处理，比如油田上的泵筒、输油输气管道、化工企业管道，以及海军舰艇上的舰炮炮管、鱼雷发射管等。在此基础上，形成了管道内壁的表面处理技术，来提高管件的硬度、耐磨、耐高温和耐腐蚀等性能。

表面改性是一种对金属材料的表面处理技术，常用的方式有电镀、气相沉积、内壁热喷涂等。

电镀是将管筒件内表面完全浸没在电解液中，通过电镀液的自由流动与浸泡，自然将改性介质带到需要处理的部位，然后通过阴阳极反应生成合适的镀层。电镀最大的优点是不受管长、管径的影响，但其镀液严重污染环境。

气相沉积技术是在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)，在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术。气相沉积后的薄膜均匀，但该技术不适合处理长管件。

热喷涂是采用各种热源将涂层加热至熔融或半熔融状态，借助本身的焰流或高速气流使熔滴冲击至基体上的工艺过程。热喷涂的涂层材料丰富，涂层厚度范围大，操作灵活。但是热喷涂存在结合强度不高、热效率低、材料利用率低等缺点。

高频感应熔覆是利用感应涡流趋肤效应的热量，将涂层与基体融为一体的技术。采用感应熔覆，操作简单、成本低、加热速度快、涂层与基体之间可形成冶金结合，选择不同的涂层材料可以提高基体的不同性能，以延长管道的寿命，降低因管道损坏而引起的事故率，具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述问题，提供一种管道内壁高频感应熔覆的装置及方法，利用高频感应的集肤效应将热量传递到内表面，通过送粉系统的喷嘴将熔覆材料喷至管道的内表面上，可根据实际需要选择不同的熔覆材料，以获得高性能、低价格的管件。

本发明提供的一种管道内壁高频感应熔覆的装置，包括：工作台、卡盘支座、管件、送粉系统、喷嘴、外感应线圈、内感应线圈、三爪卡盘、感应电源、导轨。所述工作台上表面固接两个导轨，所述卡盘支座可在导轨上水平移动，所述送粉系统与喷嘴相连，所述外感应线圈缠绕套装在管件外部，所述内感应线圈放置于管件内部，所述三爪卡盘与支座固接，所述感应电源与感应线圈相连。

进一步限定，所述工作台包含控制卡盘装置移动的控制器。

进一步限定，所述管件的厚度小于15mm。

进一步限定，所述送粉系统为避免产生涡流材料需作失磁处理，然后利用高速气流将粉末推送至喷嘴。

进一步限定，所述喷嘴为避免产生涡流也需作失磁处理。

进一步限定，所述感应电源的功率为40～130kw，频率为40～100khz。

本发明提供的一种管道内壁高频感应熔覆的方法，包括以下步骤：

(1)对管件内壁进行清理；

(2)通过控制器调整卡盘装置，对管件进行装夹；

(3)完成装夹后，移动整个卡盘装置至右侧三爪卡盘的左侧与外感应线圈的右端平齐，并让三爪卡盘带动管件旋转，转速一般为130～200r/min，同时开启左侧的感应电源，根据管件材料选择不同的加热温度，一般需将外表面加热至700～1300℃；

(4)加热到所需温度后，开启送粉系统，对管件的内表面进行涂覆，同时卡盘装置带动管件水平向右移动，移动速度与管件厚度和所需涂层的厚度有关，一般管件的向右水平移动的速度为2～15mm/s；

(5)对于熔点较高的涂层材料，整个管件涂覆完成后，继续移动管件水平向右移动，同时开启右侧的感应电源，根据涂层材料和管件材料选择不同的温度继续对管件加热，一般需加热至1100～1400℃；

(6)熔覆结束后，关闭装置，取下管件在空气中冷却至室温，完成管道内壁的高频感应熔覆。

本发明的技术方案是：对于熔点较低的的涂层材料，首先，基于高频感应熔覆技术，通过外感应线圈对管件进行加热；其次，采用同步送粉的方式对管件进行涂覆，由于粉末具有磁性，在高速气流的推动下，使得粉末撞击至管件内表面与基体融合形成涂层；然后，卡盘带动管件旋转，在离心力的辅助下，涂层会紧贴内表面，使得涂层均匀致密的与基体融合；最后，经过外感应线圈的加热后完成熔覆。对于熔点较高的涂层材料，在经过外感应线圈加热后，涂覆之后再通过右侧的感应线圈对涂层进行加热，确保涂层与基体之间的结合强度。

本发明具有如下优点：

基于高频感应熔覆技术，采用同步送粉的方式对管件进行涂覆，这种喷粉方式较传统的预置粉末涂层的方式有三个明显的优势。首次，由于粉末具有磁性，粉末会被吸引至内壁表面，且在高速气流的推动下，使得粉末撞击至管件内表面与基体融合，且涂层表面光滑平整；其次，涂层的厚度可以根据材料的不同进行调整；最后，在离心力的辅助下，涂层会紧贴内表面，使得涂层均匀致密的与基体融合。采用本发明，制造过程操作简单，效率高，适合大批量生产，而且该方法即可应用于新管件的制造，也可应用于管件的修复再制造。

附图说明

图1：管件内表面强化装置主视图

图2：管件内表面强化装置轴测图

符号说明

1.工作台2.卡盘支座3.管件4.送粉系统5.喷嘴6.外感应线圈7.内感应线圈8.三爪卡盘9.感应电源10.导轨

图3：管件修复示意图

符号说明

11.待修复管件12.漏洞13.漏洞补丁

具体实施方式

本发明提供一种管道内壁高频感应熔覆的装置，主要包括：1.工作台2.卡盘支座3.管件4.送粉系统5.喷嘴6.外感应线圈7.内感应线圈8.三爪卡盘9.感应电源10.导轨。工作台1上包括控制卡盘支座2水平移动及三爪卡盘8旋转的控制器；卡盘支座2可在导轨10上水平移动；送粉系统4与喷嘴5相连，且内部通过高速气流以携带涂层粉末进行喷涂；外感应线圈6缠绕于管件3外部以对管件进行加热；内感应线圈7缠绕于管件3内部以对管件进行加热，且保证了内表面高于外表面的温度；三爪卡盘8与卡盘支座2采用焊接进行连接，两个感应电源9分别与感应线圈相连。

其中，管件的厚度小于15mm；感应电源的功率为40～130kw，频率为40～100khz；感应线圈的外直径为500mm，长度为150mm；三爪卡盘带动管件旋转，转速一般为130～200r/min；根据管件材料选择不同的加热温度，一般需将外表面加热至700～1300℃；管件的向右水平移动的速度为2～15mm/s。

本发明提供一种管道内壁高频感应熔覆的方法，经过外感应线圈的加热后，采用同步送粉的方式对管件进行涂覆，涂层均匀致密；然后根据涂层材料的熔点，选择采用右侧的内感应线圈对涂层的再次加热。采用该工艺，可明显改善涂层与基体之间的结合性能，主要包括如下工艺：首先，清理管件内壁；其次，装夹管件；然后，利用外感应线圈的热量对管件内壁进行涂覆；最后，根据涂覆材料的不同，选择性的利用内感应线圈对内壁再次进行加热。

实施例1

下面结合附图1和图2，针对新管件的制造，以碳素钢为基体，锌为熔覆材料，说明管道内壁高频感应熔覆的方法。

其中，待加工管件的尺寸为φ400×8000mm，厚度为3mm，感应电源的功率为120kw，感应频率60khz，具体实施方法如下：

(1)采用高速砂流，清理和粗化基体表面；

(2)调整卡盘装置，将管件装夹到三爪卡盘上；

(3)完成装夹后，移动整个卡盘装置至右侧三爪卡盘的左侧与感应线圈的右端平齐，并让三爪卡盘带动管件旋转，转速为180r/min，同时开启左侧的感应电源，将管件的外表面加热至800℃；

(4)加热至所需温度后，开启送粉系统，送粉量为30mm³/s，喷嘴的喷射直径为50mm，对管件的内表面进行涂覆，同时卡盘装置带动管件水平向右移动，移动速度为2mm/s，这样可以涂覆一层0.5mm左右的锌涂层；

(5)由于锌的熔点较低，在500℃左右，右侧的感应电源不必启动即可完成熔覆过程，熔覆之后，关闭各装置，在空气中冷却至室温后取下管件。

实施例2

下面结合附图3，针对新管件的修复再制造，以碳素钢为基体，铝合金粉末作为熔覆材料为例，说明管道内壁高频感应熔覆的方法。

其中，管件的尺寸为φ400×8000mm，厚度为4mm，具体实施方法如下：

(1)找到管件的损坏泄露的位置，根据大小首先在外面用碳素钢焊接填补漏洞；

(2)采用喷砂法，对管件进行清洗除杂；

(3)调整卡盘装置，将管件装夹到三爪卡盘上；

(4)完成装夹后，移动整个卡盘装置让喷嘴对准待修复区；

(5)开启左侧的感应电源，根据管件材料加热至800℃；

(6)加热至所需温度后，开启送粉系统，送粉量为30mm³/s，喷嘴的喷射直径为50mm，先对管件漏洞处集中喷粉，待材料以基本将漏洞填平，此时关闭送粉系统；

(7)移动整个卡盘装置至右侧三爪卡盘的左侧与感应线圈的右端平齐，并让三爪卡盘带动管件旋转，转速为180r/min，同时开启左侧的感应电源，将管件的外表面加热至800℃；

(8)加热至所需温度后，开启送粉系统，送粉量为30mm³/s，喷嘴的喷射直径为50mm，对管件的内表面进行涂覆，同时卡盘装置带动管件水平向右移动，移动速度为2mm/s，这样可以涂覆一层0.5mm左右的铝合金涂层；

(9)由于铝合金的的熔点在700℃左右，右侧的感应电源不必启动即可完成熔覆过程，熔覆之后，关闭各装置，在空气中冷却至室温后取下管件。

实施例3

下面结合附图1和图2，针对管件的表面强化，以45钢为基体，镍合金粉末作为熔覆材料为例，说明管道内壁高频感应熔覆的方法，其中，管件的尺寸为φ350×900mm，厚度为5mm，具体实施方法如下：

(1)采用喷砂法，对管件进行清洗除杂；

(2)调整卡盘装置，将管件装夹到三爪卡盘上；

(3)完成装夹后，移动整个卡盘装置至右侧三爪卡盘的左侧与感应线圈的右端平齐，并让三爪卡盘带动管件旋转，转速为180r/min，同时开启左侧的感应电源，将管件的外表面加热至1300℃；

(4)加热至所需温度后，开启送粉系统，送粉量为30mm³/s，喷嘴的喷射直径为50mm，对管件的内表面进行涂覆，同时卡盘装置带动管件水平向右移动，移动速度为2mm/s，反复移动直至涂覆一层1mm左右的镍合金涂层；

(5)由于镍合金的熔点较高，在1300℃左右，移动卡盘装置至右侧感应线圈加热区，开启右侧的感应电源，对管件的内表面进行加热，至1400℃，同时移动卡盘装置，移动速度为3mm/s。

(9)熔覆完成后，关闭各装置，在空气中冷却至室温后取下管件。

本文所述的左、右均是以图1和图2中的方向作为参考方位。

上述实施例仅用于说明本申请，而非对本发明申请的限定，只要在本发明申请实质技术和方法范围内，对以上所述实施例的变化、增减都将落入本发明权利要求书的范围内。