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基本原理和特性

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发表时间:2017-04-13 13:56

2.1、基本原理

其基本工艺为自蔓延高温合成法(又称SHSSelf-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,Al2O3Fe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:

、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


介质

10%HCl

10%HNO3

10%H2SO4

10%H3PO4

陶瓷内衬钢管

0.056

0.032

0.021

0.047

不锈钢

>1

0.1

1.8

<0.1


、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10H2SO4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:


腐蚀前质量(g)

腐蚀后质量(g)

损失质量(g)

普通油管

686

646

40

陶瓷内衬油管

749.5

749.5

0

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


材料名称

磨损时间(min)

磨损前质量(g)

磨损后质量(g)

磨损质量(g)

磨损体积(cm3)

 单位时间磨损体积(cm3/min)

20#无缝钢管

5.15

453.01

450.955

2.055

0.2618

0.0508

陶瓷内衬钢管

30

512.71

512.5

0.21

0.0568

0.001

由上表可见,陶瓷内衬钢管的耐磨性比20#钢高出27

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:

、陶瓷层对井液的湿润角较大,不易产生吸附作用;

、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;

、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;

、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

、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



断裂拉力(KN)

断裂处截面积(mm2)

抗拉强度(MPa)

普通油管

591.4

693.03

853.35

陶瓷内衬复合油管

586.24

693.03

845.91


由此可见,陶瓷内衬油管的管体,仍然符合API的标准(689 MPa)。

、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:


陶瓷内衬油管钢级

拉伸载荷(KN)

标准要求

结果

J55

500

卸载后陶瓷层及螺纹部位无变化

符合要求

N80

600

符合要求

14P110

700

符合要求


、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。

、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  、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-50900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。

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