專利名稱：疲勞腐蝕開裂的金屬管的涂覆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一方面，本發(fā)明涉及一種涂覆了耐高溫、防腐抗蝕金屬涂層的疲勞腐蝕開裂金屬 iW (Fatigue corrosion cracked metallic tube)。胃一力 ，禾中；！^胃冑t蟲Jf 裂金屬管的涂覆方法。
背景技術(shù)：
過去是以勞動力和材料密集型作業(yè)方式，在停運期間對呈現(xiàn)疲勞腐蝕裂紋(又稱環(huán)向疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋)的管區(qū)進行維修，用新管更換損壞的管段。目前對導致裂紋的機理所知甚少，但主要認為產(chǎn)生裂紋的原因是純熱疲勞、機械疲勞與腐蝕聯(lián)合作用和腐蝕產(chǎn)物受到循環(huán)疲勞和裂紋影響的純腐蝕中的一種或多種。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用一種熱噴涂技術(shù)涂覆疲勞腐蝕開裂的金屬管，以防裂紋擴展進一步損壞管子或形成新的裂紋。本發(fā)明的一個實施例中提供了一種涂覆后的金屬管。管子含有軸向延伸的管狀側(cè)壁，外部疲勞腐蝕開裂。疲勞腐蝕開裂部分具有環(huán)向擴展裂紋，該裂紋徑向向內(nèi)延伸，部分穿透管狀側(cè)壁。疲勞腐蝕開裂部分涂覆了金屬涂層。金屬涂層橋聯(lián)環(huán)向擴展的裂紋，并粘附在管子的金屬部分和裂紋中可能殘留的腐蝕產(chǎn)物(主要為氧化鐵和硫化鐵)上，從而用金屬涂層覆蓋該部分。本發(fā)明的另一個實施例中提供了一種對金屬管疲勞腐蝕開裂進行止裂和防止管子進一步疲勞腐蝕開裂的方法。該方法包括識別管子具有疲勞腐蝕裂紋的部分；采用顆粒沖擊工藝清潔該部分；采用熱噴涂技術(shù)涂覆金屬涂層到該部分以便加以包覆。金屬涂層選自鎳/鉻/硼組合物和無鉻賤金屬(chrome-free base metal)/鋁//鈦/硅/硼組合物。


圖1是使用過的管子水冷壁的局部示意圖。圖2是圖1中管子水冷壁噴砂處理后的局部示意圖。圖3是清晰顯示出裂紋和腐蝕產(chǎn)物的疲勞腐蝕裂紋的剖面示意圖。圖4是疲勞腐蝕裂紋局部成分信息的示意圖。圖5是按照本發(fā)明的一個實施例對圖2中的水冷壁涂覆后的局部示意圖。圖6是按照本發(fā)明的一個實施例對水冷壁涂覆后的剖面示意圖。圖7是按照本發(fā)明的一個實施例涂覆后的管子的縱剖面示意圖。涂層不按比例。圖8是圖7中涂覆后的管子沿8-8方向的剖面示意圖。最佳實施方式本發(fā)明涉及采用特殊絲材以熱噴涂技術(shù)涂覆金屬管(例如鍋爐管)的環(huán)向疲勞腐蝕裂紋，從而對裂紋止裂并防止新的裂紋形成。此類裂紋主要發(fā)生在運行條件涉及較高的局部運行溫度、(例如管表面周期性結(jié)渣脫落引起的)局部熱循環(huán)和高硫和/或高氯的腐蝕性高溫環(huán)境的水冷壁鍋爐管上。熱噴涂已發(fā)展多年，形式多樣，它是使熔融或半熔融的材料沉積到基體上從而形成耐磨或耐腐蝕涂層的一類工藝的總稱。但截至目前，熱噴涂尚未用于疲勞腐蝕裂紋的止裂。熱噴涂工藝包括等離子噴涂、火焰噴涂、電弧-等離子噴涂、電弧噴涂和燃燒噴涂。電弧噴涂是一種熱噴涂形式，利用送進的兩根導電絲相互接近時在絲的端部產(chǎn)生的電弧來熔化絲端。然后，用壓縮空氣霧化熔融的材料，并噴涂到基體上，冷卻后即可形成性能優(yōu)異的金屬涂層。本發(fā)明采用的用于疲勞腐蝕裂紋止裂的金屬涂層可選自含鉻金屬涂層和無鉻金屬涂層。含銘金屬涂層本發(fā)明中使用的一個含鉻金屬涂層實施例為采用熱噴涂技術(shù)涂覆的鎳/鉻/硼組合物。通常，按重量計該組合物成分包括約39%至約66%的鎳、約至約51%的鉻和約 2%至約8%的硼。如有需要，可以用其他材料替代鎳。例如，鐵、碳素鋼和低合金鋼、不銹鋼、銅、銅合金(如黃銅、青銅、鋁青銅)、鋁、鋁合金(如鋁-銅、鋁-錳、鋁-錳-鎂、鋁-硅、 鋁-錳-鎂-鉻、鋁-鎂-硅和鋁-鋅-錳-鎂-銅)、鈦、鈦合金(如含鈀、鉬、鎳、鋁、釩、 鈮、鉭、錫、鋯、鉻和鐵的鈦合金)鈷、鈷合金(如含鉻、鎳、鉬和鎢的鈷合金)、鋯、鋯合金、鉭和鉭合金可替代所有或部分鎳組分。涂層中，部分鎳和部分鉻優(yōu)選以硬質(zhì)硼化物形式存在。涂層成分還可包括其他組分，按重量計，選自由最高約6%的硅、最高約10%的鉬、最高約6%的鈮、最高約5%的鋁、 最高約4%的鈦、最高約9 %的鐵、最高約10 %的鎢和最高約4%的碳所組成的群組中的至少一個。如果有任何此類其他成分，通常成分范圍為約0. 5%至約6%的硅、約0. 5%至約 10%的鉬、約0. 5%至約6%的鈮、約0. 5%至約5%的鋁、約0. 5%至約4%的鈦、約0. 5%至 9 %的鐵、約0.5%至約10 %的鎢和約0.5%至約4%的碳。用于制備含鉻金屬涂層的有芯絲材(Cored wire)涂層是通過提供有芯絲材并采用熱噴涂技術(shù)(例如電弧噴涂技術(shù))將其涂覆到基底上形成的。有芯絲材中含有組成最終涂層沉積物的所有合金組分。有芯絲材的芯材包含鉻組分和硼組分，優(yōu)選還包括鎳或鎳合金外皮(outer sheath) 0通過熱噴涂技術(shù)利用電弧熔化絲材，從而形成熔融的合金涂層組合物。將熔融的合金涂層組合物涂覆到基底上并使之固化，從而形成合金涂層沉積物。合金涂層沉積物包括離散可辨的多層分離的合金組合物。一個優(yōu)選實施例中，有芯絲材包括含鉻的鎳基合金(如690合金)的管狀外皮和含碳化硼和碳化鉻的內(nèi)芯。優(yōu)選的內(nèi)芯組成按碳化硼重量計包括約25%至約400%的碳化鉻。換句話說，碳化鉻對碳化硼的比率范圍優(yōu)選為約1 4至約4 1。更優(yōu)選地，內(nèi)芯按碳化硼重量計包括約67%至約230%的碳化鉻。換句話說，碳化鉻對碳化硼的比率范圍優(yōu)選為約1 1. 5至約2. 3 1。無鉻金屬涂層本發(fā)明中使用的一個無鉻金屬涂層實施例為采用熱噴涂技術(shù)涂覆的賤金屬/鋁//鈦/硅/硼組合物。通常，按重量計，該組合物成分包括約60%至約90%的賤金屬、至少約2%的鋁、約2%至約10%的鈦、約2%至約10%的硅和約2%至約10%的硼，并且不含鉻。賤金屬組分通常包括選自由鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁所組成的組合中的至少一種賤金屬。優(yōu)選地，所述賤金屬選自由鎳、鐵和鈷中至少一種所組成的組合，最優(yōu)選地為鎳。如有需要，涂層可包括其他組分，如選自由約0. !^至約川^的鐵』々。.至約10%的鉬、約 0. 至約10%的鎢和約0%至約10%的碳所組成的組合中的組分。用于制備無銘涂層的復(fù)合絲材本發(fā)明的無鉻涂層可采用復(fù)合絲材通過熱噴涂技術(shù)形成。通常，復(fù)合絲材包括按重量計70%至95%的金屬外皮(outer sheath)和按重量計約5%至約30%的內(nèi)芯(inner core)。在一個優(yōu)選實施例中，復(fù)合絲材包括按重量計約75%至約85%的金屬外皮和按重量計約15%至約25%的內(nèi)芯。優(yōu)選地，所述賤金屬是較為質(zhì)軟的金屬單質(zhì)或合金，例如鎳、鐵或鈷中的至少一種。優(yōu)選為鎳，外皮最優(yōu)選地包括鎳鋁合金和/或硅。示例性材料包括按重量計約70%至約98 %的鎳和按重量計約2 %至約30 %的鋁和/或硅，優(yōu)選地按重量計約85 %至約98 %的鎳和按重量計約2%至約15%的鋁和/或硅，最優(yōu)選地按重量計約90%至約97%的鎳和按重量計約3%至約10%的鋁。本發(fā)明的一個實施例中的內(nèi)芯包括約15%至約30%的鈦、約15%至約35%的硅、 約20%至約50%的硼和0%至15%的碳，全部優(yōu)選地為顆粒，優(yōu)選地為粉末混合物。鈦、硅和硼可作為含有其他元素的混合物存在。鈦和硅可通過適量的TiSi源提供，例如約50%至約60%的TiSi源(如TiSiFe)與例如約40%至約50%的硼和碳(可選)源(如B4C)的混合物。內(nèi)芯還可包括其他材料。其他材料可包括碳化物，如碳化鎢、碳化鈦、碳化釩和類似物；氧化物，如氧化鋁、氧化鋯和類似物；硼化物，如硼化鎳、硼化鐵和類似物。內(nèi)芯還可包括其他金屬粉末，如鋁、鎳或合金粉末、或復(fù)合物粉末，如碳化鎢鎳。舉例來說，內(nèi)芯可包括約0. 至約10%的鉬、約0. 至約10%的鎢、約0. 至約10%的釹和約0. 至約 10%的碳。此外，內(nèi)芯中可含有例如約0. 至約10%的金屬或金屬合金粉末，該金屬或金屬合金粉末含有鎂、磷、釩、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鈮、鉬、鉭和/或鎢。有芯絲材的制備用于制備兩種類型涂層中任一種的有芯絲材均可采用傳統(tǒng)方式制備，將用作制備內(nèi)芯的混合物(無需是成塊的混合物)置于用作制備金屬外皮的條帶上。通過多個拉絲模連續(xù)拉拔條帶，形成包裹內(nèi)芯的絲材外皮。有芯絲材的最終外徑取決于其應(yīng)用。對于大多數(shù)的應(yīng)用，有芯絲材的最終直徑范圍為約0. 8mm至約6. 4mm。傳統(tǒng)的有芯絲材加工技術(shù)在專利號為6，156，443 (Dallaire等)和6，513，728 (Hughes等)的美國專利中公開，均在此作為參考資料引用。
具體實施例方式本發(fā)明的一個實施例中提供了一種涂覆金屬管。參見圖7。管子含有軸向延伸的管狀側(cè)壁10，外部疲勞腐蝕開裂。參見圖2。疲勞腐蝕開裂部分具有部分穿透管狀側(cè)壁徑向向內(nèi)延伸的環(huán)向擴展裂紋50。裂紋50通常含有腐蝕產(chǎn)物，如氧化鐵和硫化鐵。參見圖3。金屬涂層60涂覆在疲勞腐蝕開裂的部分上。金屬涂層60橋聯(lián)環(huán)向擴展的裂紋50，并且圍繞裂紋牢固地粘附在管子10的金屬部分，而且至少在一定程度上粘附在裂紋中的腐蝕產(chǎn)物上，防止進一步嚴重的腐蝕產(chǎn)物發(fā)展成為裂紋。參見圖6。從而，涂覆后的管子可以重新投入使用。通常，管子為鋼質(zhì)材料，疲勞腐蝕開裂部分的裂紋環(huán)向擴展，部分環(huán)繞管子的外表面。涂層通常選自上述的鎳/鉻/硼和無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅/硼。兩種最優(yōu)選的涂層均可達到所要求的任何厚度。管子上覆蓋裂紋的涂層部分厚度至少應(yīng)為約0. 006英寸(約0. 15mm)，例如厚度范圍為約0. 006英寸(0. 15mm)至約0. 020 英寸(約0. 50mm)，但如有需要，涂層可以更厚，例如厚度范圍為約0. 020英寸至約0. 100英寸(約0. 50mm至約2. 5mm)。優(yōu)選地，管子疲勞腐蝕開裂部分的裂紋應(yīng)完全由涂層覆蓋，從而防止現(xiàn)有裂紋擴展和形成新的裂紋。管子疲勞腐蝕開裂部分的裂紋50在含管軸的縱剖面中通常呈“V”型或“胡蘿卜” 型，并含有腐蝕產(chǎn)物。參見圖3。涂層橋聯(lián)裂紋頂部。(參見圖6)。裂紋通常環(huán)向擴展。 (參見圖2、。裂紋中含氯和/或含硫材料的濃度高于管子未開裂的部分，特別是在裂紋的中央“脈絡(luò)”中。參見圖4。本發(fā)明的另一個實施例中提供了一種金屬管疲勞腐蝕開裂的止裂方法。該方法包括識別金屬管具有疲勞腐蝕裂紋的部分，采用顆粒沖擊工藝(particle impingement process)(例如噴砂)清潔該部分，和采用熱噴涂技術(shù)將金屬涂層涂覆到該部分以便覆蓋該部分。金屬涂層選自鎳/鉻/硼組合物和無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅/硼組合物。圖1中，管子的截面包含在通過連接板20相互連接的多個管子10形成的管壁的截面40之中。管子被結(jié)渣沉積物30覆蓋。清潔后，該部分如圖2所示，裂紋50更為清晰可見。熱噴涂技術(shù)采用的是包括金屬外皮和粉末內(nèi)芯的復(fù)合絲材。預(yù)期兩種涂層均效果優(yōu)異。第一種涂層包括上述的鎳/鉻/硼。第二種涂層是上述的無鉻鎳/鋁//鈦/硅/ 硼。通過電弧噴涂包含形成涂層組分的有芯絲材來沉積涂層。通過基于電弧的熱噴涂技術(shù)熔化絲材，形成熔融的合金涂層組合物，然后將其涂覆到管子上，形成涂層。開裂區(qū)域的涂層涂覆厚度范圍通常為約0. 5mm至2. 5mm。涂層橋聯(lián)裂紋并加以覆蓋，使之與外界環(huán)境隔離。如有需要，可使涂層厚度沿管子的縱向逐漸減小，以免形成突出部分或其他陡面。
權(quán)利要求
1.一種含有軸向延伸的管狀側(cè)壁的涂覆金屬管，所述金屬管具有疲勞腐蝕開裂的外部，且所述金屬管外部具有部分穿過管狀側(cè)壁且徑向向內(nèi)延伸的環(huán)向擴展裂紋，疲勞腐蝕開裂部分上有金屬涂層，所述涂層橋聯(lián)所述環(huán)向擴展裂紋，并粘附在管子的金屬部分和裂紋中的腐蝕產(chǎn)物上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述管子為鋼質(zhì)材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述疲勞腐蝕裂紋環(huán)向擴展，部分環(huán)繞管子的外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述金屬涂層選自熱噴涂鎳/鉻/ 硼和熱噴涂無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅/硼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述涂層為鎳/鉻/硼，按重量計， 含有約39%至約66%的鎳、約至約51%的鉻和約2%至約8%的硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述涂層為無鉻賤金屬/鋁//鈦 /硅/硼，所述賤金屬選自由鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、鋁和錫所組成的組合，含量為涂層的約 70%至約 90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述賤金屬為鎳，含量為約70%至約90%，所述涂層還包括約2%至約10%的鋁、約2%至約10%的鈦、約2%至約10%的硅和約2%至約10%的硼。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述涂層厚度范圍為約0.15mm至約 2. 5mmο
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述涂層完全覆蓋管子疲勞腐蝕開裂部分的裂紋。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述管子的疲勞腐蝕開裂部分的裂紋在沿管的軸線的縱剖面中通常呈“V”型。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的涂覆金屬管，其特征在于，所述裂紋中含氯和/或含硫腐蝕產(chǎn)物的濃度高于管子未開裂的部分。
12.—種金屬管疲勞腐蝕開裂部分的止裂方法，包括如下步驟識別金屬管中具有疲勞腐蝕裂紋的部分；采用顆粒沖擊工藝清潔所述部分；以及采用熱噴涂技術(shù)涂覆金屬涂層到所述部分，以便覆蓋所述部分；其中所述金屬涂層選自鎳/鉻/硼和無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅/硼。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂技術(shù)采用含有金屬外皮和粉末內(nèi)芯的復(fù)合絲材，所述管子為位于管墻中的鍋爐管。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述涂層為鎳/鉻/硼，按重量計，含有約39%至約66%的鎳、約至約51%的鉻和約2%至約8%的硼。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述涂層為無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅 /硼，按重量計，含有約70%至約90%的鎳、約2%至約10%的鋁、約2%至約10%的鈦、約 2%至約10%的硅和約2%至約10%的硼。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟提供一種芯材中含有鉻組分和硼組分的有芯絲材，所述絲材還包括鎳或鎳合金外皮；通過基于電弧的熱噴涂技術(shù)熔化絲材，形成熔融的合金涂層組合物；將熔融的合金組合物涂覆到管上，形成涂層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟提供一種芯材中含有鈦組分、硅組分和硼組分的有芯絲材，所述絲材還包括鎳/鋁外皮；采用基于電弧的熱噴涂技術(shù)熔化絲材，形成熔融的合金涂層組合物；將熔融的合金組合物涂覆到管子上， 形成涂層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中涂層的厚度范圍為約0.15mm至約2. 5mm,并且涂層覆蓋裂紋。
全文摘要
采用熱噴涂技術(shù)制備選自鎳/鉻/硼和無鉻賤金屬/鋁//鈦/硅/硼的涂層，涂覆疲勞腐蝕開裂的鍋爐管，進行疲勞裂紋止裂。
文檔編號B32B15/04GK102438823SQ201080011610
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者邁克爾·W·塞茨 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司