新型天然气管道内涂层的可行性探讨.pdf

石油天然气 学报 江汉石油学院学报 2 0 1 3 年 5 月 第 3 5 卷 第 5 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J p I Ma y 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 5 3 7 1 新型天然气管道 内涂层 的可行性探讨 安冬云 ，刁凤东 ，李进 ，刘冰 中国石油天然气管道局第四工程分公司， 河北廊坊O B S O O O [ 摘要]根据 目前 国际上 流行 的新型硬 质薄膜材 料类金刚石碳 膜 的成膜机 理与沉积 方法 ，探讨适合 天然气 管道 内涂层的成膜可行性方法 。通过综合分 析 ，提 出改善 类金 刚石碳 膜作 为天然 气管道 内涂层材料 的可 行 性 试 验 及 应 用 建 议 。 [ 关键词] 类金 刚石碳膜 ；成膜理论 ；内涂层 ；天然 气管道 ；涂层保 护 [ 中图分类号]T E 9 8 8 ． 2 [ 文献标 志码]A [ 文章编 号] 1 0 0 0 类金刚石碳膜是一种高硬度、低摩擦系数 、高化学稳定性、高电阻率 、高红外透过率的新型薄膜材 料 ，它的化学组成、光学透过率、硬度、折射率、 ． 在化学腐蚀剂 中的惰性以及抗摩擦性能十分相似于金 刚石[ 1 ] 。自2 0世纪 8 O年代以来 ，类金刚石碳膜作为新型保护材料 ，一直是各国镀膜技术领域研究 的 热点。在西方发达国家类金刚石碳膜 已规模化生产，美 国、西欧、日本、俄罗斯、乌克兰等国家在类金 刚石碳膜的制备技术与应用、成膜理论等方面的研究代表国际先进水平。国内部分企业对类金刚石碳膜 技 术工 业应 用开 展 了有益 的探 索与 尝试 ，在产 业 化应用 方 面取得 良好 进展 。 类金刚石碳膜的沉积理论主要有物理气相沉积和化学气相沉积，主要沉积方法包括离子束沉积 、溅 射沉积 、阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、直接光化学气相沉积、等离子增强化学气相体沉积等 。碳原子 在金刚石中以 s p 3键结合 ，在石 墨中以 s p 2键合 ，而在类金刚石碳膜中存在 s p 3和 s p 2两种键合形式， 因此类 金刚 石碳膜 的结构 和性 能介 于金 刚石 和石 墨之 间 ，属 于无定 形碳 中含 s p 3 键 的亚 稳态 结构 。类 金 刚石碳膜因其 自身结构特点属亚稳态材料 ，热稳定性较差， 自身固有的内应力较高 ，在市场上广泛应用 受到一定的约束和限制。为了加强类金刚石碳膜的结合力和热稳定性 ，国际上研发了多层膜技术和掺杂 技 术 ，加上 近年来 等 离子增 强 化学气 相沉 积技 术 的发展 ，采 用这些 技 术降低 了沉 积温 度 ，改善 了类金 刚 石碳膜的高内应力和热稳定性差等问题 ，使类金刚石碳膜成功应用于半导体材料 的加工 ，以及刀具 、模 具 、航 空航 天 、机械 电子 、摩擦 磨损 等诸 多领 域 ] 。 类 金刚 石碳膜 由于具有 自润滑 和高硬 度等 基本 特性 ，所 以在 软质 金属 的无 润滑加 工等 方面 的应用 不 断拓展 。在石油天然气管道建设工程中，采用防腐蚀涂层 包括有机涂层 、化学镀 涂层可抗 C o。 和 油气腐蚀 ，虽具有工艺简单 、成本较低等优点 ，但存在易老化、有针孔 、与基体结合力差等缺陷[ 4 ] 。笔 者提出将类金刚石碳膜作为天然气管道减阻用 内涂层的一种思路 ，通过在天然气管道 内表面沉积类金刚 石碳膜来提高管道本体 的耐腐蚀性能 ，同时降低管道摩阻系数，提高管线的输送能力 。 1 可行性分析 在管 道 制管 和工程 建设 领域 ，国外 已经成 功地 开展 了将类 金钢 石碳 膜镀 在较 小管 径 的管道 内壁上 的 试验 ，并 对较 大管 径 的管道 开展 类金 刚石 碳膜 涂层 技术进 行研 究 。 目前 已研 制 出 3 m 长 不 同管 径 的类 金 刚石碳膜 内涂层镀膜技术 ，下步计划开发研制 1 2 m长钢管的类金刚石碳膜镀膜工艺 ] 。 借鉴 国外实验室钢管内镀类金刚石碳膜的先进技术和成功经验 ，利用改进的等离子增强化学气相沉 积方 法 ，在天 然气 管道 内壁 实施 工业 化 内镀类金 刚石碳膜 具 有可操 作性 和可 行性 。管 道 内壁 沉积 类金 刚 [ 收稿 日期]2 0 1 3一o 1一o 5 [ 作者简介]安冬云 1 9 7 8 一 ，女，2 0 0 1 年大学毕业，工程师，现从事设备管理方面的工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油气管道 工程 2 0 1 3 年 5 月 石碳膜适用于钢管工厂预制 ，类金 刚石碳膜成膜后 的钢管可直接放置 于大气 环境 中，在温度不超过 4 0 0 ℃的情况下对其性能影响不大 ，与 目前国内常规钢管外防腐层的涂敷技术没有冲突。类金刚石碳膜 的硬度高达 6 0 GP a ，耐磨损性非常优异 ，有助于防止清管作业对管道内壁造成损伤。类金刚石碳膜的摩 擦因数仅为 0 ． 0 1 t0 ． 2 ，能够减小层流底层厚度，在输油气生产运行 中起到减阻和增输的功效。另外， 类金刚石碳膜具有良好的化学稳定性 ，对各种有机溶剂及各种强酸 、强碱和强盐呈化学惰性 ，提高了管 道 内壁 的耐腐蚀性，可延缓和防止管道 内腐蚀，延长管道使用年限。因此 ，该方案思路在技术上是完全 可行 的 。 2 技术措施 类金刚石碳膜成膜工艺在工厂实施 ，需要制造专用的钢管内壁沉积成膜装置。钢管镀膜前要进行喷 砂 除锈 ，将 除锈 后 的钢管放 置 于相应 的沉 积装置 上进行 成膜 沉积 。钢管 内壁沉 积成膜 的基本 原理是 利用 碳氢化合物，如苯、甲烷 、乙炔等在辉光放 电或其他条件下产生的等离子体中分解成为碳氢离子 ；同时 对钢管 施加 负偏 压 ，在负偏 压 的作用 下 ，这些含有 碳氢 的离 子 团沉 积 到管 内壁 上形成 碳膜 。为 了有 效增 强钢管 内壁与基膜的结合力，在镀膜前可采用氩气对钢管内壁进行溅射清洁。 为了消除和削减现场组焊时焊接对类金刚石碳膜的热影响，钢管内壁镀膜前要采取相应措施预留一 定距离。目前国内新建天然气管道很少采用内补 口，故暂时不用考虑类金刚石碳膜和内补 口涂层的搭接 问题 。钢管内壁镀膜成功后，再进行管道的外防腐作业，以保证外防腐质量。 3 市场前景分析 类金刚石碳膜具有与金刚石膜相似的众多优异性能，这些特点使其在金属管内壁改性方面具有广泛 的工业应用前景，除可用于天然气管道内涂层外 ，还可应用于抽油泵泵筒和输油管道等嘲。国内高温高 压含 固流体输送管道，例如煤浆、矿浆等输送管道 ，富含大量灰尘气体管道运行时在管道弯头和管件处 对内壁产生较大冲刷力 ，存在着严重的磨损问题 ，类金刚石碳膜的优异耐磨性可以解决上述问题E 引。 4 结语 在管道输送方面，类金刚石碳膜沉积技术 目前还未实现工业化生产，也未对管道用类金刚石碳膜的 技术、经济与风险进行过分析。为加快类金刚石碳膜内涂层技术在管道领域的工业化生产 ，必须进一步 加强对沉积装置的改进与开发，加强和改善成膜均匀性的不足以及膜基间的结合力 ，研发加强成膜厚度 的工艺 技术 ，在 降低成 本与缩 短镀 膜时 间上实 现突 破 ，并 实现 大批量 生产 ，以达 到工业化 生产 的 目的。 [ 参考文献] [ 1 ]夏立芳 ，李光 ，马南 ．类金刚石碳膜的热稳定性 口]．材料科学与工艺 ，2 0 0 0 ，8 4 8 O ～8 5 ． [ 2 ]杨玉卫 ，杨坚 ．类金刚石膜的性能 、制备及其应用 [ J ]．硅酸盐通报，2 0 0 8 ，2 71 1 1 9 ～1 2 6 E 3 1楚信谱 ．等离子体增强化学气相沉积 D L C膜的研究 E D3．大连大连理工大学 ，2 0 0 7 ． E C 江功武 ，于翔 ，王成彪 ．类金刚石碳膜的研究进展 [ J ]．金属热处理，2 0 0 3 ，2 8 1 1 ～4 ． E s J汪俊 ．细长不锈钢管内表 面沉积的类金刚石碳膜性能研究 E D ]．大连 大连理工大学 ，2 0 0 9 ． [ 6 ]付林 ．油煤浆输送管道弯头部位冲击磨损预测 与壁厚监测 E D ]．天津 河北工业大学 ，2 0 0 9 ． [ 编辑] 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m