卓金管件有限公司重力分离SHS法制备陶瓷内衬复合钢管耐蚀性研究学习体会
文献概况与技术背景
本文发表于1998年《材料保护》第31卷第11期，由军械工程学院赵忠民、王建江等学者完成，研究军械工程学院科研基金资助项目成果。文章采用重力分离SHS（Spraying with High Speed）法制备陶瓷内衬复合钢管，系统研究了内衬陶瓷层的组织结构以及添加剂SiO₂和CrO₃对复合钢管耐蚀性的影响。
在钢管防腐领域，陶瓷内衬技术是一种重要的长效防腐手段，尤其适用于化工、石油、电力等强腐蚀介质输送工况。与传统的外防腐涂层不同，陶瓷内衬直接保护钢管内壁，从根本上隔绝了腐蚀介质与基体钢的接触。本文所采用的重力分离SHS法属于热喷涂技术的一种，其核心原理是利用高速气流将陶瓷粉末加速至超音速状态，喷涂在钢管内壁形成致密的陶瓷涂层。
陶瓷内衬层组织结构分析
文献揭示了内衬陶瓷层的微观组织特征：主要由构成枝晶的α-Al₂O₃基体相和分布于其间的FeO·Al₂O₃尖晶石相所组成，SiO₂主要以石英相结构存在于枝晶晶界中。这一组织特征对耐蚀性具有决定性影响。
从材料科学角度分析，α-Al₂O₃（刚玉）具有极高的化学稳定性和硬度，是陶瓷内衬的主要防腐相。然而，FeO·Al₂O₃尖晶石相的形成表明喷涂过程中发生了陶瓷粉末与钢管基体之间的冶金反应，这在一定程度上影响了陶瓷层的纯度和致密度。尖晶石相的晶界区域往往是腐蚀的优先起始点。
陶瓷层组织与耐蚀性关系
| 相组成 | 微观结构特征 | 对耐蚀性的影响 |
|---|---|---|
| α-Al₂O₃ | 枝晶状基体相 | 化学稳定性高，抗腐蚀能力强 |
| FeO·Al₂O₃尖晶石 | 分布于枝晶间 | 晶界腐蚀敏感性较高 |
| SiO₂（石英相） | 存在于枝晶晶界 | 低含量时改善耐蚀性，过量时促进晶间腐蚀 |
| 孔隙与缺陷 | 涂层内微孔 | 腐蚀介质渗透通道，加速局部腐蚀 |
添加剂对耐蚀性的影响规律
SiO₂添加剂的影响
研究发现在Fe₂O₃+Al+SiO₂体系中，陶瓷层的腐蚀主要为晶间腐蚀，并在SiO₂添加量为4%wt时，复合钢管的腐蚀失重率出现极大值（约为1.8622 g·m⁻²·h⁻¹）。这一"火山型"规律表明，SiO₂的添加并非单调改善耐蚀性，而是存在一个最佳添加量。
从热喷涂工艺角度分析，SiO₂的添加改变了陶瓷粉末的熔化和飞行行为。适量的SiO₂可以降低陶瓷粉末的熔点，改善喷涂颗粒的流动性，从而提高涂层致密度。但当SiO₂含量过高时，石英相在晶界处富集，形成晶间腐蚀的优先通道。这一发现对工程实践中陶瓷粉末配方的优化具有重要指导意义。
CrO₃添加剂的影响
在Fe₂O₃+Al+CrO₃体系中，陶瓷层的腐蚀主要为缝隙腐蚀，复合钢管的腐蚀失重率随CrO₃添加量增加而增多。这一规律与SiO₂的影响截然不同。CrO₃的添加虽然在某些工况下可以形成Cr₂O₃保护膜，但在重力分离SHS法的喷涂条件下，CrO₃可能导致涂层内部形成微缝隙和微裂纹，为缝隙腐蚀提供了条件。
热喷涂工艺参数与质量控制
重力分离SHS法作为热喷涂技术的一种，其工艺参数的控制直接决定陶瓷内衬的质量。结合工程实践，我总结以下关键工艺要点：
喷涂工艺参数窗口
| 工艺参数 | 推荐范围 | 对涂层质量的影响 |
|---|---|---|
| 喷涂速度 | 200~350 m/s | 速度过低导致涂层疏松，过高导致反弹率增大 |
| 喷涂距离 | 150~250 mm | 距离过近导致涂层氧化，过远导致附着率降低 |
| 基体温度 | 预热至80~150°C | 温度过低影响涂层结合强度，过高导致基体变形 |
| 粉末粒径 | 15~45 μm | 粒径分布影响涂层致密度和表面粗糙度 |
| 喷涂层厚度 | 0.3~1.0 mm | 过薄保护不足，过厚易产生层间裂纹 |
涂层质量检验方法
- 结合强度测试：按GB/T 9793标准进行拉脱试验，结合强度应不低于15 MPa
- 孔隙率检测：采用金相显微镜法或压汞法，孔隙率应控制在3%以下
- 表面粗糙度：Ra值控制在0.5~2.0 μm，过光滑影响结合强度，过粗糙增加介质滞留
- 耐蚀性验证：进行盐雾试验（GB/T 10125）或模拟介质浸泡试验
工程应用思考
从钢管制造与防腐工程的角度，陶瓷内衬复合钢管在以下领域具有广阔的应用前景：
- 化工管道：输送强酸、强碱或有机溶剂的工况，陶瓷内衬可提供长达20年以上的防腐寿命。
- 烟气脱硫管道：电厂FGD系统中，含SO₂和H₂SO₄的湿烟气对管道腐蚀极为严重，陶瓷内衬是有效的防护手段。
- 海水输送管道：海洋工程中，海水的高氯离子浓度对钢管腐蚀严重，陶瓷内衬可有效抵抗点蚀和缝隙腐蚀。
然而，陶瓷内衬复合钢管在工程应用中也面临一些挑战：陶瓷层脆性大，抗冲击性能差；热膨胀系数与钢管基体不匹配，温度循环工况下易产生层间裂纹；大口径钢管内壁的喷涂均匀性难以保证。这些问题需要在工艺优化和结构设计中得到解决。
学习心得与启示
本文虽然发表于1998年，但其研究思路和方法论在今天仍然具有参考价值。陶瓷内衬技术的核心在于"材料-工艺-性能"的协同优化。从焊接技术专家的视角来看，陶瓷内衬钢管的后续焊接（如管道连接处的焊接）是一个需要特别关注的问题。陶瓷层在焊接热循环作用下可能发生开裂或剥落，因此焊接前需将焊接区域的陶瓷层打磨去除，焊接后需重新进行陶瓷修复。这一工艺难点在工程实践中往往被忽视，导致陶瓷内衬钢管在管道安装后出现局部腐蚀失效。建议制定专门的焊接工艺规程，明确陶瓷层的处理方法和修复要求。