基本原理和特性

2.1、基本原理

其基本工艺为“自蔓延高温合成法”（又称SHS（Self-propagating High-temperature Synthesis）

化学反应为： 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe + 836kJ/mol

反应生成物为稳定型α-Al2O3（即刚玉）和Fe，同时放出大量热量。熔融生成物在离心力作用下，按比重大小迅速分离。Fe的比重（7.85g/cm3）为Al2O3比重（3.95g/cm3）两倍，较重的Fe被离心力甩到钢管内壁，较轻的Al2O3则分布在铁层的内层（见下图）。

　　由于钢管迅速吸热并散热，Al2O3和Fe很快达到凝固点，分层凝固。最后形成的陶瓷内衬复合钢管从内到外分别为刚玉陶瓷层、含铁逐渐增加的过渡层以及外部的钢管层。　　高温熔融的铁液与钢管内壁接触，使钢管内壁处于熔融状态，与铁层形成冶金结合；刚玉陶瓷层通过过渡层与钢管形成牢固的机械结合。

2.2、金属陶瓷内衬管线管特性（以油管为例测试）

2.2.1、具有良好的防腐性能

金属陶瓷内衬管线管的内衬陶瓷是α-Al2O3，具有极高的化学稳定性，耐各种酸碱腐蚀，试验证明陶瓷内衬的防腐性能是不锈钢的几倍。防腐性能表现为：

①、陶瓷内衬钢管的耐蚀性优于不锈钢，具体数据见下表：陶瓷内衬钢管与不锈钢耐蚀性对比（g/m2•h）

②、陶瓷内衬油管与普通油管腐蚀对比试验。

　　把普通油管和陶瓷内衬油管段组合在一起，用10％H2SO4溶液，以2.7L/min的流速，进行模拟流动腐蚀实验150小时（组装如右图）。H2SO4溶液只充半管，这样可以在同一管段内比较腐蚀与未腐蚀的情况。称重结果可知，普通油管失重40g，是原始质量的5.8％，腐蚀速率为43.6mm/a；而陶瓷内衬油管未失重：

下面是腐蚀后的照片。左图为陶瓷内衬油管，未见表面损坏；右图是普通油管，可见明显的纤维状腐蚀痕迹：

2.2.2、具有极佳的耐磨性能

陶瓷内衬的硬度可达HV 1300，是普通油管硬度的五倍以上，耐磨是陶瓷内衬复合油管的最重要特性。以20#无缝钢管与陶瓷内衬磨损对比为例，数据如下表：陶瓷内衬钢管与无缝钢管磨损对比

由上表可见，陶瓷内衬钢管的耐磨性比20#钢高出27倍

2.2.3、具有良好的防结蜡结垢性能

右图是从井下取出的陶瓷内衬复合油管接头部位的照片。图中明显看出接箍中间裸露部位垢层很厚，而油管的陶瓷内壁一点垢都没有。

油管结垢、结蜡的原因很多，一方面跟井液的内容物、温度、压力、流速等多种因素有关，另一方面也跟油管的材质有关，其中陶瓷层的4个主要特性使陶瓷内衬复合油管能够防垢、防蜡：

①、陶瓷层对井液的湿润角较大，不易产生吸附作用；

②、陶瓷层的热导率只有钢的一半，导热效果不佳，不会造成管内流体的过大温度梯度，使管壁附近的垢离子或蜡液过饱和而析出；

③、陶瓷层是绝缘体，α-Al2O3原子又是无极性的，不会产生对垢离子的电荷吸附，也不会使蜡液极化而吸附；

④、陶瓷层的耐蚀性非常好，不会因腐蚀而结垢、结蜡。

上述原因使蜡和垢无法在陶瓷表面生根和集结。

2.2.4、具有很好的机械性能

①、陶瓷内衬复合油管基体的组织和机械性能不变　 陶瓷内衬复合油管与普通油管的管体金相相同

由此可见，陶瓷内衬油管的管体，仍然符合API的标准（689 MPa）。

②、陶瓷层的抗拉强度：φ73*5.5陶瓷内衬复合油管，管内陶瓷层的拉伸载荷如下表：

③、陶瓷油管的抗冲击性

　　一般直觉认为陶瓷很脆，不耐冲击。实际上，由于油管的热胀系数稍高于陶瓷的热胀系数，所以在铝热反应的后期，陶瓷内衬的熔点高，首先凝固，此时外层油管逐渐降温收缩，紧抱着内衬陶瓷层，陶瓷层受到径向和轴向很大的压应力，这种应力状态使陶瓷层具有相当的耐机械冲击能力，在冲击功为25J时，机械冲击钢管至少15次，陶瓷不产生裂纹。

④、陶瓷油管的压溃强度

　　我们分别用小田原修的公式和GB6804-1986 烧结金属衬套径向压溃强度测定法测定了陶瓷内衬油管的压溃强度＞430MPa　　⑤、剪切强度　　测试陶瓷层与钢管之间的结合强度，进行了压剪强度试验，剪切强度＞25MPa。大幅度的温度骤变，不会对陶瓷层产生任何影响。

2.2.5、具有极好的耐高低温性能

　　陶瓷内衬复合油管可在-50℃～900℃的温度下正常工作。极好的耐高低温性能使金属陶瓷内衬管线管可以直接焊接，而不损坏内表面陶瓷层，这是其它防腐材料做不到的。这一特性是陶瓷本身的分子结构所决定的。

2.2.6、具有很高的绝缘性

　　电阻率达到1014Ω.cm，不会发生电化腐蚀。