安装在大口径管路上的全智能防垢装置的制作方法

本发明涉及防垢领域，特别涉及一种安装在大口径管路上的全智能防垢装置。

背景技术：

结垢问题在石油、热电及其他工业和民用领域中涉及流体传输和循环的系统中广泛存在。结垢是万恶之源，且长期困扰着人类。它使热效下降，能源浪费，管道堵塞，甚至会发生恶性事故。因此结垢必须清除。据统计，到1990年我国每年由于结垢所浪费的煤炭占总用量的1/3；每年由于结垢而报废的大量设备。如何经济有效地解决结垢问题已成为普遍关注的重要课题和迫切需要解决的生产问题。因为工业上的用水管道以及循环水管道管径比较大，管路比较复杂，经常需要在总管道以及大口径管道上安装防垢器，但由于管路安装要求以及工业卧式产品的孔板式处理能力的不足。现有技术虽然有提出不需要加化学药剂的防垢装置，但由于其铜基触媒合金含有毒性的微量金属元素铅或锑，其生产会造成一定的污染，且安全性能欠佳，该成分的合金防垢除垢尚存在提升空间，尚需更安全、稳定和效果更好的防垢除垢装置。

技术实现要素：

发明目的：本发明旨在提供一种更安全、更稳定的以及稳态电流释放量更高、电流持续释放性能更强的全智能防垢装置，在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过这种安装在大口径管路上的全智能防垢装置持续释放自由电子，形成更稳定更强的稳态电流，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到安全阻垢的目的，防止井下设备的结蜡、结垢和腐蚀问题，节能环保。

技术方案：一种安装在大口径管路上的全智能防垢装置，包括两端开口的防垢管、固定在防垢管内的防垢体和两个中部设有通孔的管接头；防垢管两个开口端中，其中一个开口端其边缘朝外延伸一凸台，凸台上设有用于安装一管接头的安装孔，与该开口端安装连接的管接头为法兰，另一管接头焊接在防垢管另一开口端；防垢体包括多个叶轮式防垢片、螺杆和螺母，叶轮式防垢片包括内支承环、外支承环以及固定在内支承环和外支承环之间的多个叶轮片，多个叶轮片以内支承环为中心沿着外支承环内壁均匀分布；所有叶轮式防垢片通过内支承环套装在螺杆上，相邻两块叶轮式防垢片之间由螺母隔开并旋接固定，叶轮式防垢片与防垢管中空腔孔的配合方式为过渡配合或间隙配合；所述叶轮片材料为全智能防垢除垢合金，全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：40％-70％、ni：5％-20％、zn：8％-35％、sn：5％-30％、ag：0.5％-20％、fe：0.1％-8％、nb：0.01％-3％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：45％-65％、ni：10％-20％、zn：10％-20％、sn：7％-30％、ag：2％-20％、fe：2％-8％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：50％-60％、ni：12％-18％、zn：10％-15％、sn：7％-10％、ag：2％-8％、fe：2％-6％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.2％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

更优选的，所述全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

进一步的，所述全智能防垢除垢合金按以下步骤制成：按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm³；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在cu料上均匀铺入全部ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1100℃-1500℃，待全部金属熔化后，加入全部fe、v、nb、c块体，搅拌至金属全部熔化后再加入全部mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，得到全智能防垢除垢合金。

进一步的，所述内支承环外壁和外支承环内壁上均设有卡槽，所述每个叶轮片两端分别卡接在支承环外壁和外支承环内壁的卡槽内固定。

进一步的，相邻两片所述叶轮片呈30°夹角。

进一步的，所述多个叶轮片为6个。

进一步的，所述叶轮式防垢片为8-12个。

更进一步的，所述叶轮式防垢片为10个。

反应机理：当流体流经本发明时，在两者之间能够形成65μa左右的稳态电流。此电流的持续作用将使溶液中的溶剂分子产生极化效应，形成溶剂分析的偶极子。极化的偶极子与带电荷的成垢离子重新排列，形成新的成垢离子耦合物，呈悬浮态分布在溶液系统中，进一步降低了成垢反应的可能性。同时可以明显降低垢盐因电荷吸附产生的壁面沉积效应，减少钙镁垢在管路壁面的沉积。

碳酸钙、碳酸镁等不溶性分子的结晶形态在电流作用下也会发生改变。碳酸钙、碳酸镁分子一般有两种结晶形态：一种是“大理石型”结构，质地坚硬，吸附性强，总分子量较大，是正常条件下钙镁垢的常见形态。另一种是“文石型”结构，质地松软，吸附性不强，总分子量较小。一般在弱电场持续作用下形成。由于在工作时能够在全智能防垢除垢合金与流体间形成弱电场，因此可以促进“文石型”垢盐的形成，同时使已有的垢盐发生“大理石型”结构向“文石型”结构的转变，使已经板结的垢层逐渐松软脱落，达到管路系统除垢的目的。

随着垢层的脱落，管壁金属表面逐渐裸露。极化后的偶极子与裸露金属表面将发生壁面效应，使管壁金属表面沉积一定厚度的成垢离子耦合物(厚度约500μm)。这层耦合物将管壁金属与流体系统隔开，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉积是通过偶极子与壁面金属的静电吸附产生的，与普通垢层的沉积生长过程原理不同，因此，耦合物沉积层的厚度不随时间变化，而只与管路系统的流速有关。

本发明它在不改变流体化学成分前提下，应用先进的弱电复合阻垢机理，阻止结垢的生成，并具有很强的溶解结垢能力。运行过程不需要额外维护，无磁无电，不需要外加电源。当流体中含有过量的自由电子时，成垢阳离子的电荷被自由电子中和，使其难以与酸根结合成垢。过量自由电子的存在增加了流体的离子浓度，成垢指数下降，co2分压上升，使得垢盐的溶解度增加，产生一定溶垢效应。同时，弱电场的持续作用会导致垢盐晶体发生“方解石型”向“文石型”转变，垢盐晶体变得疏松，与壁面结合力降低，导致已经板结的垢层逐渐松脱溶解。

有益效果：本发明的防垢片结构采用叶轮式防垢片，使用时，流体经由管接头进入防垢管内部，叶轮式防垢片增大与流体的接触面积，能减小对流速的影响和压差的影响，均匀排列的叶轮片便于加工生产，且分布均衡，有利于水流的紊流效果，流经防垢管内的防垢片表面时能够自动形成稳定电流，通过弱电的作用中和成垢金属离子的正电荷，有效控制垢的形成，同时弱电场的持续作用可以使已板结的垢块逐渐溶解、脱落，实现阻垢、除垢。经防垢片处理后的流体继续向前运动，经由管接头排出。本发明使用材料较少，且能有效增大与流体的接触面积，提高防垢效率的同时却能降低成本，在大管管道径、管路复杂的环境中处理能力更强，防垢效果更明显。本发明结构简单，采用更合理配方组分的全智能防垢除垢合金，均为无毒的元素，同时进一步提升了除垢防垢性能，且本发明全智能防垢除垢合金为沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。与现有技术的s100晶轴形成的柱状合金相比，s110晶轴形成的柱状合金结构更先进、更稳定，所形成的合金释放稳态电流由于结构的优化，稳态电流释放量得到了提高；电流更加趋于稳定，不易流失电子。即s110晶轴得到的合金组分电负性配位关系和电流持续释放性能得到明显强化。试验表明，本发明使用的全智能防垢除垢合金活化电流比现有的铜基触媒合金的防垢装置提高约60％，成分更加合理安全，加工成本也更低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中防垢体的示意图；

图3为本发明中防垢片的平面示意图；

图4为本发明中防垢片的立体示意图；

图5为本发明中的全智能防垢除垢合金与现有铜基触媒合金活化电流效果对比图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明所述的安装在大口径管路上的全智能防垢装置，包括防垢管1、防垢体2、两个管接头3，防垢体2放置在防垢管1内，两个管接头3分别装在防垢管1两端，将防垢体2固定在防垢管1内。

防垢管1两端开口，两个开口端中，其中一个开口端其边缘朝外延伸一凸台11，凸台11上设有用于安装一管接头3的安装孔111，与该开口端安装连接的管接头3为法兰，即该管接头3设有与该开口端适配的凸缘31和安装孔111，另一管接头3焊接在防垢管1另一开口端。管接头3是中空的，中部设有通孔32，两个管接头3中，其中一个带有凸缘31，优选为法兰，防垢管1带有凸台11的开口端与法兰安装固定。另一个管接头3与防垢管1另一开口端焊接固定。

设于防垢管1内的防垢体2，如图2-4所示，其包括8-12个叶轮式防垢片21、螺杆22和螺母23，优选为10个叶轮式防垢片21。每个叶轮式防垢片21包括内支承环211、外支承环212和6个叶轮片213，叶轮片213固定在内支承环211和外支承环212之间，内支承环211外壁、外支承环212内壁均设有卡槽，每个叶轮片213两端分别卡接在支承环外壁和外支承环212内壁的卡槽内固定。6个叶轮片213以内支承环211为中心沿着外支承环212内壁均匀分布，相邻两片叶轮片213呈30°夹角。经多次试证得到，该叶轮式防垢片21的设计能减小对流速的影响以及有效防止被堵塞。所有叶轮式防垢片21通过内支承环211套装在螺杆22上，相邻两块叶轮式防垢片21之间由螺母23隔开并旋接固定。加强了叶轮式防垢片21的固定效果，安装与拆卸更便捷，叶轮式防垢片21与空腔孔的配合方式为过渡配合或间隙配合。

本发明中的叶轮式防垢片21中叶轮片213的材料为全智能防垢除垢合金。全智能防垢除垢合金通过严格控制各种元素的成分配比，并采用特殊的热加工工艺，在全智能防垢除垢合金内部形成了取向一致的柱状晶体结构，从而使全智能防垢除垢合金呈现出极强的向流体介质释放自由电子和使流体介质产生极化效应的独特功能。当流体以一定的流速流经全智能防垢除垢合金后，全智能防垢除垢合金可向流体释放电子，改变流体静电位，使流体产生极化现象，使流体中的阴、阳离子不易结合形成垢。全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：40％-70％、ni：5％-20％、zn：8％-35％、sn：5％-30％、ag：0.5％-20％、fe：0.1％-8％、nb：0.01％-3％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。它在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过持续释放自由电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到阻垢的目的。cu-ni二元合金具有优异的化学稳定性，在各种环境中耐腐蚀性能非常出色，冷热加工性能优异，成本适中。cu-ni合金系虽然电负性小于溶液，但由于化学稳定性很好，其失电子能力并不强。因此，又在cu-ni二元合金基础上，选择zn和ag元素作为合金元素进行添加。其中，zn元素的电负性为1.65，是常见元素中电负性最小的金属元素之一，能够与cu-ni合金形成稳定的三元合金。ag元素的电负性为2.34，是常见元素中处理稀土和放射性元素以外电负性最大的合金元素之一。ag在cu-ni-zn合金中几乎不溶，主要以游离态出现，通过合理的成分控制和热加工工艺能够获得理想的分布状态，是理想的正极材料。随着ag含量的增加，活化电流逐渐增大。活化电流越大，释放电子的能力越强，单位流量的全智能阻垢防垢合金用量越少，整体成本更具优势，v和mn都是良好的脱氧剂，mn还可以做为脱硫剂对去除合金中的s元素，提高合金的淬性，改善合金的热加工性能，而v可以增加合金的强度和韧性，并且v会和c结合，增强合金在高温高压下抗氢腐蚀的效果，nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在合金材料中加nb，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力并改善焊接性能。合金材料添加微量的c元素，目的在于提高材料的屈服点、抗拉强度、冷脆性和时效敏感性。实验表明，将φ40mm全智能防垢除垢合金放置在5000mg/mol浓度碳酸钙溶液中，流速1000mm/s，25℃室温环境下测得的活化电流与时间的关系示于图5。从图5看出，本发明的全智能防垢除垢合金活化电流约为80μa，稳定时间约为150min，不仅完全满足阻垢器工程应用要求，且活化电流比现有的铜基触媒合金提高约60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。

全智能防垢除垢合金的按如下步骤制备，按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm³；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在cu料上均匀铺入全部ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1100℃-1500℃，开炉升温优选为至1380℃，待全部金属熔化后，加入全部fe、v、nb、c块体，搅拌至金属全部熔化后再加入全部mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，即得到全智能防垢除垢合金。为进一步提高全智能防垢除垢合金的质量，增加峰值活化电流与稳定活化电流数值，同时缩短达到稳定电流值的时间，使得全智能防垢除垢合金更安全、更稳定。还可将全智能防垢除垢合金进行均匀化处理，包括将热处理电阻炉的炉膛清理干净，在室温条件下将全智能防垢除垢合金装入热处理炉中，通电开炉加温，以1.8℃/s～3.2℃/s的速度升温至780℃～1100℃，保温50min～100min；再以2℃/s-2.5℃/s的速度升温至1100℃～1380℃，保温300min～360min；然后冷却至300℃～400℃，取出全智能防垢除垢合金锭空冷至室温。优选为，以2.2℃/s的速度升温至1070℃，保温65min；再以2.3℃/s的速度升温至1250℃，保温300min；然后冷却至360℃，取出全智能防垢除垢合金锭空冷至室温。

实施例2：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：45％-65％、ni：10％-20％、zn：10％-20％、sn：7％-30％、ag：2％-20％、fe：2％-8％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例3：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：50％-60％、ni：12％-18％、zn：10％-15％、sn：7％-10％、ag：2％-8％、fe：2％-6％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.2％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例4：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比包括如下组分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各组分经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例5：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：cu：45％、ni：18％、zn：15％、sn：10％、ag：4％、fe：2.5％、nb：3.5％、mn：1.5％、v：0.48％、c：0.02％，各组分经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例6：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：cu：57％、ni：13％、zn：8％、sn：7％、ag：6％、fe：5％、nb：1％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各组分经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例7：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：cu：60％、ni：11％、zn：11％、sn：9％、ag：2％、fe：2％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.42％、c：0.08％，各组分经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例8：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：cu：60％、ni：10％、zn：8％、sn：10％、ag：3％、fe：4％、nb：3％、mn：1.5％、v：0.4％、c：0.1％，各组分经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例9：

本实施例与实施例1差异仅在于全智能防垢除垢合金组分配比不同，本实施例中的全智能防垢除垢合金按质量百分比为：cu：40％、ni：6％、zn：18％、sn：5％、ag：19.5％、fe：8％、nb：0.15％、mn：0.35％、v：2％、c：0.5％，各组分经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。

基于工业上的用水管道以及循环水管道管径比较大，管路比较复杂，经常需要在总管道以及大口径管道上安装防垢器，但由于管路安装要求以及工业卧式产品的孔板式处理能力的不足，本发明的防垢片结构采用叶轮式防垢片21，使用时，流体经由管接头3进入防垢管1内部，叶轮式防垢片21增大与流体的接触面积，能减小对流速的影响和压差的影响，均匀排列的叶轮片213便于加工生产，且分布均衡，有利于水流的紊流效果，流经防垢管1内的防垢片表面时能够自动形成稳定电流，通过弱电的作用中和成垢金属离子的正电荷，有效控制垢的形成，同时弱电场的持续作用可以使已板结的垢块逐渐溶解、脱落，实现阻垢、除垢。经防垢片处理后的流体继续向前运动，经由管接头3排出。本发明使用材料较少，且能有效增大与流体的接触面积，提高防垢效率的同时却能降低成本，在地面管线、储油罐等地面工具，尤其是大管管道径、管路复杂的环境中处理能力更强，防垢效果更明显，且成分更加合理安全，加工成本也更低。