СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫЕ ТРУБЫ
METHOD FOR APPLICATION OF COATINGS ON TUBING STRING

Изобретение относится к способам нанесения покрытий, обеспечивающих износостойкость, коррозионную защиту, преимущественно к способам нанесения защитных покрытий насосно-компрессорных труб от коррозионного и эрозионного воздействия среды.
Известен /Патент РФ №2395666/ способ изготовления насосно-компрессорной трубы, включающий формирование на ее внутренней поверхности защитного покрытия, отличающийся тем, что на внутренней поверхности формируют, по меньшей мере, один слой полиуретанового покрытия, содержащего мочевинные группы, массовая доля которых в покрытии составляет от 6 до 14%, при этом для удаления газовых пузырей, кратеров, непрокрасов и местных утолщений полимеризующегося покрытия, производят его финишную обработку.
Недостатком такого антикоррозионного покрытия является недостаточная адгезия покрытия, что приводит к коррозии металла под покрытием при малейших повреждениях покрытия и проникновения жидкой агрессивной среды к металлу. За счет капиллярных сил коррозия происходит вдоль всей трубы.
Известен /Патент РФ №2028210/ способ нанесения полимерного защитного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, включающий введение в полость трубопровода рукава из полимерного термопластичного материала, закрепление одного из концов рукава на конце трубопровода, последовательные нагрев и прижатие рукава к стенке трубы с перемещением зоны нагрева перед зоной прижатия, отличающийся тем, что используют рукав из полиэтилена или композиций на его основе, предварительно подвергнутый радиационной обработке с последующим продольным растяжением, а нагревание рукава в трубопроводе производят до 200-400°С и скорости перемещения зоны нагрева 0,3-1,0 м/мин.
Недостатком такого антикоррозионного покрытия является отсутствие адгезии покрытия, что приводит к коррозии металла под покрытием при малейших повреждениях покрытия и проникновения жидкой агрессивной среды к металлу. За счет капиллярных сил коррозия происходит вдоль всей трубы.
Известен /патент РФ №2289061/ способ нанесения изоляционного покрытия на металлическую поверхность в котором проводят нагрев металлической поверхности трубопровода, нанесение грунтовочного слоя, затем дополнительный нагрев металлической поверхности до температуры 40-50°С и нанесение изоляционного полимерного ленточного покрытия с предварительным нагревом адгезионного слоя ленты до температуры 55-65°С горячим воздухом. Полученное изоляционное покрытие нагревают до его термоусаживания.
Такой способ не подходит для нанесения внутреннего слоя (подходит только для внешнего слоя).
Известен /Патент №2553742 RU/ способ нанесения защитного коррозионно-стойкого покрытия на наружную и внутреннюю поверхности металлической трубы, включающий предварительную подготовку ее кромок, механическую, термическую и абразивную очистку наружной и внутренней поверхностей трубы, последующее нанесение порошкового слоя коррозионно-стойкого покрытия на наружную и внутреннюю поверхности трубы, отличающийся тем, что предварительно наружную и внутреннюю кромки трубы калибруют под вид соединения труб, затем устанавливают на обе кромки трубы оснастки, с помощью которых осуществляют вращение трубы, при хранении наружной поверхности от воздействия внешних контактов, затем осуществляют гидродинамическую очистку внутренней и наружной поверхности трубы, а термическую очистку указанных поверхностей трубы проводят в печи при температуре 390-420°С, выдерживают один час, и затем нагретую трубу подвергают механической очистке абразивом вне печи с обеспечением заданной шероховатости поверхностям трубы, на наружную и внутреннюю поверхности которой наносят слой праймера с последующей его сушкой при комнатной температуре, при этом трубу с помощью оснасток вращают, после чего трубу нагревают в печи до температуры нанесения порошкового слоя коррозионно-стойкого покрытия и наносят указанный слой одновременно на наружную и внутреннюю поверхности трубы, затем проводят полимеризацию слоя упомянутого покрытия путем нагрева трубы в печи, которую вращают, и осуществляют последующее охлаждение водовоздушной смесью.
-6
-1
-6
-1
Такое покрытие даже при повышении температуры не смачивает полностью стальную поверхность. Так как покрывающая поверхность порошковая смесь, даже при нагревании, не затекает полностью во все углубления поверхности. Там остаются воздушные пузыри, что приводит к ухудшению адгезии и возможности отслаивания. Также покрытие имеет отличающийся от стали коэффициент термического расширения (КТР). У эпоксидной смолы КТР=55-120×10°С, у стали КТР=11×10°С. При колебаниях температуры (холод - тепло) разница удлинений покрытия и стали приводит к отслаиванию покрытия. Особенно это опасно при механических нагрузках на НКТ (насосно-компрессорную трубу).
Известен /патент РФ №2296817/ способ комплексной защиты от коррозии стальных трубопроводов (варианты). В предлагаемом способе перед изоляцией разделывают кромки трубы, затем сушат и очищают трубу от загрязнений: механически обрабатывают внутреннюю поверхность трубы, проводят финишную зачистку внутренней поверхности трубы, наносят вблизи кромки трубы основное металлическое защитное покрытие, наносят на основное металлическое покрытие дополнительное металлическое защитное покрытие с частичным перекрытием основного металлического защитного покрытия, нагревают трубу до температуры плавления изоляционного пластмассового покрытия, наносят на внутреннюю поверхность трубы с частичным перекрытием основного слоя металлического защитного покрытия по меньшей мере один слой изоляционного пластмассового покрытия, механически обрабатывают наружную поверхность трубы, очищают наружную поверхность трубы от продуктов обработки, наносят по меньшей мере один слой изоляционного пластмассового покрытия.
-6
-1
-6
-1
Такое покрытие даже при повышении температуры не смачивает полностью стальную поверхность. Так как покрывающая поверхность порошковая смесь даже при нагревании не затекает полностью во все углубления поверхности. Там остаются воздушные пузыри, что приводит к ухудшению адгезии и возможности отслаивания. Также покрытие имеет отличающийся от стали коэффициент термического расширения (КТР). У эпоксидной смолы КТР=55-120×10 °С, у стали КТР=11×10 °С. При колебаниях температуры (холод - тепло) разница удлинений покрытия и стали приводит к отслаиванию покрытия. Особенно это опасно при механических нагрузках на НКТ (насосно-компрессорную трубу).
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению является /патент РФ №2525031/ способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность магистральной трубы, предусматривающий предварительную очистку этой поверхности, нанесение покрытия и его сушку, причем на стадии предварительной очистки внутреннюю поверхность трубы сушат, производят ее струйную обработку и удаляют с нее пыль продувкой воздухом, отличающийся тем, что в ходе предварительной очистки внутренней поверхности трубы сначала производят ее обезжиривание щелочным раствором с последующей промывкой деионизированной водой и сушкой, а струйную очистку производят дробеметным методом с использованием стальной колотой дроби размером не более 1,6 мм до получения на внутренней поверхности высоты микронеровностей Rz=30-120 мкм и содержания на ней солей не более 50 мг/м, и после завершения предварительной очистки внутренней поверхности трубы, после продувки воздухом производят ее предварительный подогрев, после чего на эту поверхность методом безвоздушного распыления через форсунки наносят один или более слоев защитного покрытия, причем в качестве покрытия используют отверждаемую полиамином эпоксидную композицию, не содержащую растворителя, а после нанесения покрытия производят его отверждение путем нагрева до температуры 60-120°С и выдержки при этой температуре на протяжении не менее 4 часов.
-6
-1
-6
-1
Такое покрытие даже при повышении температуры не смачивает полностью стальную поверхность. Так как покрывающая поверхность порошковая смесь даже при нагревании не затекает полностью во все углубления поверхности. Там остаются воздушные пузыри, что приводит к ухудшению адгезии и возможности отслаивания. Также покрытие имеет отличающийся от стали коэффициенты термического расширения (КТР). У эпоксидной смолы КТР=55-120×10°С у стали КТР=11×10 °Стемпературы (холод - тепло) разница удлинений покрытия и стали приводит к отслаиванию. Особенно это опасно при механических нагрузках на НКТ (насосно-компрессорную трубу).
Задачей предложенного технического решения является создание способа покрытия поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ), конструкции и геометрии слоев антикоррозионного износостойкого покрытия, с высокой адгезией, с длительным сроком службы, высокой химической стойкостью.
Технический результат заключается в высокой адгезии к поверхности НКТ, созданной за счет применения новой технологии и конструкции слоев антикоррозионного покрытия, за счет применения последовательности технологических операций для придания требуемых свойств используемым материалам покрытия, способу и последовательности нанесения материалов.
Предлагаем:
П. 1. Способ антикоррозионного защитного покрытия преимущественно насосно-компрессорных труб предусматривающий предварительную очистку поверхности и последующее нанесение одного или более слоев защитного покрытия в качестве которого используют эпоксидную композицию, а после нанесения покрытия производят его отверждение путем нагрева, отличающийся тем, что после предварительной очистки внутренней поверхности трубы наносят слой кремния толщиной 0,2-3 микрона ударно-кинетическим методом, а на естественную окисную пленку оксида кремния наращивают слой пористого оксида кремния с размерами пор 10-100 микрон с использованием щелочи и порошкового оксида кремния при температуре 200-300°С, подготовленный пористый слой пропитывают полимерной композицией и подвергают финишной температурной обработке.
П. 2. Способ антикоррозионного защитного покрытия по п. 1, отличающийся тем, что полимерная композиция состоит не менее чем из двух полимеров с разным временем полимеризации.
П. 3 Способ антикоррозионного защитного покрытия по п. 1, отличающийся тем, что все операции проводят на вращающейся трубе со скоростью 0,1-5 оборотов/с.
П. 4. Способ антикоррозионного защитного покрытия по п. 1, отличающийся тем, что финишную температурную обработку проводят при температуре 100-150°С.
П. 5. Способ антикоррозионного защитного покрытия по п. 1, отличающийся тем, что содержание щелочи по отношению к массе оксида кремния составляет 1-5 массовых процентов.
Кремний сплавляется со сталью при нанесении ударно-кинетическим методом и обеспечивает абсолютную адгезию со сталью.
Толщина кремниевого слоя около 0,1-3 мкм. Кремний сам по себе достаточно стоек к окислению, так как после покрывается на воздухе тонкой естественной (нативной) пленкой оксида кремния, что облегчает нанесение (улучшает адгезию к кремнию) последующего слоя.
x
1-x
Нанесение кремния производят ударно-кинетическим методом /патент РФ №2702670/. В этом методе нанесение кремния производится за счет кинетической энергии удара тел (с массой несколько граммов) по микронным частицам кремния, так, что частицы проплавляют сталь и входят с ней в соединение. Частицы кремния вбиваются при комнатной температуре. В переходном слое частиц железо - кремний образуются различные по составу соединения FeSi от железа до кремния. Поэтому покрытие кремния не имеет определенной границы и является монолитным материалом, в отличие от других методов (например - PVD) формирования слоя кремния на стали.
Оксид кремния (кварцевый песок размером 0,1 мм) наращивают к оксиду кремния расположенном на кремнии предыдущего подслоя и формирует пористую структуру в соответствии с размерами частиц кварца. Наращивание порошка оксида происходит при добавке 1-5 мас. % щелочи от массы оксида кремния. Температура окончания процесса нанесения оксида кремния - 200-300°С.
-6
-1
В пористую структуру с размерами пор размером 10-200 микрон добавляют смесь из двух полимерных составов с разным временем полимеризации. Так что один полимер, внутри себя, образует после смешивания капсулы полимера с большим времени полимеризации. При повреждении покрытия, полимер большим времени полимеризации затягивает образовавшийся дефект в покрытии. КТР у оксида кремния 1×10 °С и это позволяет уменьшить КТР покрытия и согласовать КТР покрытия и КТР стали. (Добавление кварца снижает суммарный КТР всего покрытия и повышает его химическую и абразивную стойкость).
Способ нанесения коррозионностойких покрытий реализуется на стенде, который обеспечивает: вращение трубы со скоростью 0,1-5 оборотов в секунду, для равномерности нанесения покрытий; нагревание трубы до температуры 300°С; ударную обработку шарами с массой 1-5 граммов в зависимости от необходимой энергии обработки (0,01-0,5 Дж) на 1 удар шара); соединение с оснасткой для нанесения полимерной композиции и оснасткой для нанесения оксида кремния. Один из компонентов полимера может наноситься в виде порошка или в жидком виде, а второй обязательно в жидком. Нанесение полимеров может быть осуществлено, как распылением, так и намазыванием.
Предлагаемое многослойное покрытие (на сталь):
- кремний толщиной 0,1-3 мкм;
- пористый оксид кремния (кварц) толщиной 10-400 мкм;
- поры заполняются композитными полимерами с различными временами полимеризации (не менее 2-х полимеров).
Свойства покрытия.
Адгезия кремния к стали создается непрерывным монолитным слоем. К слою оксида на кремнии монолитно соединен пористый оксид кремния. Поры порошка пропитаны композицией из двух полимеров с разным временем полимеризации, которые обеспечивают адгезию с трубой. Причем один из полимеров более текучий, чем эпоксидные композиции аналогов и имеет повышенную смачиваемость с покрываемой поверхностью. Согласование коэффициента термического расширения (КТР) стали и покрытия происходит за счет того, что у кварца КТР меньше, чем у стали, а у полимерной композиции больше. Содержанием (величиной концентрации) кварца в покрытии выравнивают линейное расширение покрытия и стали. Наличие кварца обеспечивает большую стойкость покрытия к абразивным частицам, так как мягкие полимеры изнашиваются более интенсивно, чем твердый кварц. Химическая стойкость выше, чем у аналогов, так как покрытие герметично вдоль поверхности трубы, а кремний, и особенно оксид кремния, препятствуют коррозии в агрессивных жидкостях. Полимерная композиция не скалывается и не отслаивается при механических нагрузках. Компонент полимерной композиции с большим временем полимеризации дольше остается жидким, пластичным и залечивает возможные микротрещины и дефекты.