本發(fā)明屬于金屬表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置和方法。

背景技術(shù)：

在油氣田生產(chǎn)中，油井管和輸送管都面臨著CO₂、H₂S、元素硫、地層水等腐蝕問題。這些腐蝕問題的嚴重性和破壞性在于不僅給油氣田造成物質(zhì)和經(jīng)濟損失，還會造成人員傷亡和環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。

化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層是利用還原劑把化學(xué)鍍液中的鎳離子還原沉積在具有催化活性的金屬表面上，以改善金屬的表面硬度、耐磨性能、耐腐蝕性能等，從而延長金屬構(gòu)件在相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境中的使用壽命。為改善傳統(tǒng)化學(xué)鍍Ni-P鍍層的性能，有學(xué)者[Y D He,et al.Scripta Materialia 58(2008)504-507]將機械研磨技術(shù)用于化學(xué)鍍工藝中，在小試片鎂合金表面制備出結(jié)構(gòu)致密、表面光滑、性能優(yōu)良的納米Ni-P鍍層。但是，在金屬管內(nèi)壁制備Ni-P鍍層依然存在以下問題：

(1)難以實現(xiàn)金屬管內(nèi)壁與化學(xué)鍍液的完全接觸，從而影響Ni-P鍍層的完整性；

(2)機械研磨化學(xué)鍍Ni-P鍍層性能優(yōu)良，但仍無有效的方式在金屬管內(nèi)壁施加機械研磨作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置和方法，能夠在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備出結(jié)構(gòu)致密、表面光滑、粘附性好、耐蝕性好的Ni-P鍍層，提高其在油氣田腐蝕環(huán)境中的服役性能。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置，包括用于給待施鍍的金屬管進行加熱的加熱帶，用于儲存鍍鎳液并向金屬管內(nèi)添加鍍鎳液的鍍液罐，用于對金屬管內(nèi)壁進行機械研磨的氧化鋁球，用于對金屬管兩端進行封堵以防止鍍鎳液流出的封頭，以及用于帶動金屬管旋轉(zhuǎn)的電機；其中加熱帶設(shè)置在金屬管的外壁上，且加熱帶與控溫器相連，金屬管的內(nèi)部填充有氧化鋁球和鍍鎳液，封頭設(shè)置在金屬管的兩端并與電機的轉(zhuǎn)軸相連，且封頭的內(nèi)襯為聚四氟乙烯材質(zhì)。

還包括用于支撐金屬管的支撐架，金屬管水平的支撐在支撐架的上方，且支撐架的頂部與金屬管接觸的部分設(shè)有開放式滾動軸承。

所述的氧化鋁球的粒徑為1～8mm。

所述的金屬管的外徑≤88.9mm，長度≤1m。

一種利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的方法，包括以下步驟：

1)鍍鎳液的配制

以硫酸鎳、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、氟化氫銨和丁二酸為原料，加入去離子水配制成鍍鎳液，其中鍍鎳液中硫酸鎳的濃度為20～40g/L，次亞磷酸鈉的濃度為20～40g/L，檸檬酸鈉的濃度為10～15g/L，氟化氫銨的濃度為1～3g/L，丁二酸的濃度為10～15g/L；

2)機械研磨化學(xué)鍍

將配制好的鍍鎳液用氨水調(diào)節(jié)pH＝4.5～5.5，放入鍍液罐中進行預(yù)熱，然后與氧化鋁球一起倒入金屬管中，將金屬管的兩端用封頭密封，然后將金屬管水平晃動使得氧化鋁球在金屬管內(nèi)均勻分布，用加熱帶對金屬管進行加熱，當溫度到達設(shè)定的施鍍溫度后，開動電機帶動金屬管勻速轉(zhuǎn)動，施鍍30～45min后，即在金屬管的內(nèi)壁上制備出納米Ni-P鍍層。

所述的金屬管在施鍍前先對其內(nèi)壁進行表面處理，依次進行噴砂除銹、除油和酸化活化處理。

所述步驟2)中使用粒徑為1～8mm的氧化鋁球，并預(yù)先對氧化鋁球進行配比，使粒徑＜5mm的氧化鋁球的體積分數(shù)為65～75％，粒徑＞5mm的氧化鋁球體積分數(shù)為25～35％。

所述步驟2)中加入的氧化鋁球的總體積為金屬管容積的30～35％，加入的鍍鎳液的體積為金屬管容積的45～55％。

所述步驟2)中的預(yù)熱溫度為60～80℃，施鍍溫度為60～80℃。

所述步驟2)中金屬管的轉(zhuǎn)速為100～500rpm。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置，由金屬管、加熱帶、控溫器、鍍液罐、封頭、電機、氧化鋁球等部件組成，其中金屬管為待施鍍的工件，使用時將氧化鋁球和鍍液罐中的鍍鎳液倒入金屬管中，利用封頭既能將金屬管兩端密封，又能在電機的作用下帶動金屬管勻速轉(zhuǎn)動，氧化鋁球在隨金屬管轉(zhuǎn)動過程中，與金屬管內(nèi)壁不斷碰撞而產(chǎn)生機械研磨作用，同時利用加熱帶纏繞在金屬管外壁為管內(nèi)的鍍鎳液加熱，進行化學(xué)鍍。因此利用該裝置能夠?qū)C械研磨技術(shù)與化學(xué)鍍結(jié)合起來用于在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備性能優(yōu)良的納米Ni-P鍍層。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于組裝，操作方便，造價低廉，能夠有效克服金屬管內(nèi)壁與化學(xué)鍍液不能有效接觸和無法有效實施機械研磨作用的問題，進而可在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備出結(jié)構(gòu)致密、表面光滑、粘附性好、耐蝕性好的納米Ni-P鍍層，提高金屬管在油氣田腐蝕環(huán)境中的服役性能。

本發(fā)明提供的利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的方法，先配制化學(xué)鍍用的鍍鎳液，然后利用上述裝置，將配制好的鍍鎳液和氧化鋁球加入金屬管內(nèi)，并用封頭封堵住金屬管的兩端，再通過電機帶動金屬管轉(zhuǎn)動，使得氧化鋁球與管壁碰撞產(chǎn)生機械研磨作用，從而將機械研磨技術(shù)與化學(xué)鍍結(jié)合起來用于在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備性能優(yōu)良的納米Ni-P鍍層。該方法操作簡單方便，易于工業(yè)化實施，能夠有效克服金屬管內(nèi)壁與化學(xué)鍍液不能有效接觸和無法有效實施機械研磨作用的問題，進而可在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備出結(jié)構(gòu)致密、表面光滑、粘附性好、耐蝕性好的納米Ni-P鍍層，提高金屬管在油氣田腐蝕環(huán)境中的服役性能。

進一步的，本發(fā)明提供的利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置中，還設(shè)置有用于水平支撐金屬管的支撐架，而且在支撐架與金屬管接觸部分附開放式滾動軸承，能夠保證金屬管可勻速轉(zhuǎn)動，支撐架對金屬管的水平支撐作用不僅能夠保證金屬管轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)部鍍鎳液和氧化鋁球分布的均勻性，而且能減小金屬管的重力對電機轉(zhuǎn)軸的施力，提高電機的使用壽命。

進一步的，本發(fā)明中采用的氧化鋁球的粒徑為1～8mm，而且粒徑＜5mm的氧化鋁球的體積占所有氧化鋁球總體積的65～75％，并且加入的氧化鋁球的總體積為金屬管容積的30～35％，這樣氧化鋁球能夠均勻的鋪滿金屬管的底部內(nèi)壁，且不同粒徑的氧化鋁球間雜著均勻的分布，使得相鄰氧化鋁球之間的間隙非常小，以最大程度的保證金屬管內(nèi)壁的每個細小部分都能夠得到充分的機械研磨。上述氧化鋁球的粒徑是與金屬管的尺寸所匹配的，能夠達到最佳的機械研磨效果，并且與鍍鎳液配合后能夠得到最佳性能的納米Ni-P鍍層。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置的示意圖；

其中：1為加熱帶，2為金屬管，3為鍍鎳液，4為封頭，5為氧化鋁球，6為支撐架，7為導(dǎo)線，8為控溫器，9為傳送帶，10為電機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

參見圖1，本發(fā)明提供的利用機械研磨技術(shù)在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備納米Ni-P鍍層的裝置，由金屬管2、加熱帶1、控溫器8、支撐架6、鍍液罐、封頭4、傳送帶9、(變頻)電機10、氧化鋁球5等組成。各組成部分的具體要求及作用如下：

(1)金屬管2為試驗對象，其外徑控制在88.9mm以內(nèi)，長度控制在1m以內(nèi)；

(2)加熱帶1纏在金屬管2外部，利用加熱帶1為金屬管2內(nèi)的鍍鎳液3加熱，并且加熱帶1通過導(dǎo)線7與控溫器8相連，以使得鍍鎳液3處于合適的溫度，控制在60～80℃范圍內(nèi)；

(3)支撐架6用于水平支撐金屬管2，為了保證金屬管2可勻速轉(zhuǎn)動，支撐架6與金屬管2接觸部分附開放式滾動軸承；

(4)鍍液罐用于儲存鍍鎳液3，可對鍍鎳液3進行預(yù)熱，可預(yù)熱至60～80℃；

(5)封頭4用于封堵金屬管2，防止化學(xué)鍍液流出，封頭4內(nèi)襯聚四氟乙烯，并且封頭4的伸出段通過傳送帶9與變頻電機10的轉(zhuǎn)軸相連，可帶動金屬管2勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速在500rpm以內(nèi)；

(6)氧化鋁球5的粒徑在1mm～8mm范圍內(nèi)，施鍍時，氧化鋁球5和鍍鎳液3一起被填充入金屬管2中，在金屬管2轉(zhuǎn)動過程中，氧化鋁球5與金屬管2內(nèi)壁撞擊而產(chǎn)生機械研磨作用。

本發(fā)明提供的利用上述裝置在小尺寸金屬管內(nèi)壁制備Ni-P鍍層的方法，包括如下步驟：

(1)氧化鋁球配比

對粒徑為1～8mm的氧化鋁球5進行配比，使粒徑小于5mm的氧化鋁球量控制在65～75％，使粒徑大于5mm的氧化鋁球量控制在25～35％；

(2)金屬管2內(nèi)壁的表面處理

對金屬管2內(nèi)壁依次進行噴砂除銹、除油和酸化活化工序；

(3)鍍鎳液的配制

以硫酸鎳、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、氟化氫銨和丁二酸為原料，加入去離子水配制成鍍鎳液，其中鍍鎳液中硫酸鎳的濃度為20～40g/L，次亞磷酸鈉的濃度為20～40g/L，檸檬酸鈉的濃度為10～15g/L，氟化氫銨的濃度為1～3g/L，丁二酸的濃度為10～15g/L；

(4)機械研磨化學(xué)鍍

將配制好的鍍鎳液用氨水調(diào)節(jié)pH值至4.5～5.5，在鍍液罐中預(yù)熱至60～80℃，即與氧化鋁球5一起倒入金屬管2中，其中加入的氧化鋁球的總體積為金屬管容積的30～35％，加入的鍍鎳液的體積為金屬管容積的45～55％，將金屬管2兩端用封頭4密封后，將金屬管2水平晃動以使得氧化鋁球5在金屬管2中均勻分布，待金屬管2外部加熱帶1的溫度達到60～80℃的施鍍溫度后，開動電機10使得金屬管2以100～500rpm的速度勻速轉(zhuǎn)動，施鍍30～45分鐘后，即可在金屬管2內(nèi)壁制備出納米Ni-P鍍層。

下面通過實施例進一步說明本發(fā)明的應(yīng)用及效果。

實施例1

選用油氣田集輸用20鋼管為試驗對象，其外徑為88.9mm，長度為1m。將金屬管2內(nèi)壁進行噴砂處理后，依次用丙酮、無水乙醇沖洗；再用質(zhì)量百分數(shù)為12％的鹽酸溶液浸泡30s以活化金屬管內(nèi)表面。

將氧化鋁球5(粒徑1～8mm)按體積比進行配比，總量約占金屬管2容量的三分之一，其中粒徑小于5mm的氧化鋁球占70％，粒徑大于5mm的氧化鋁球占30％。

用去離子水配制鍍鎳液3，鍍鎳液3的總量控制在金屬管2容量的二分之一，鍍鎳液3由硫酸鎳、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、氟化氫銨、丁二酸組成，其中硫酸鎳的濃度為30g/L，次亞磷酸鈉的濃度為30g/L，檸檬酸鈉的濃度為15g/L，氟化氫銨的濃度為2g/L，丁二酸的濃度為10g/L。

用氨水將鍍鎳液3的pH值調(diào)節(jié)至5.5，并在鍍液罐中預(yù)熱至70℃，然后與氧化鋁球5一起倒入金屬管2中，將金屬管2兩端用封頭4密封后，將金屬管2水平晃動以使得氧化鋁球5均勻分布，待金屬管2外部加熱帶1的溫度達到70℃后，開動電機10使得金屬管2以150rpm的速度勻速轉(zhuǎn)動，施鍍45分鐘后，即在金屬管2內(nèi)壁制備出納米Ni-P鍍層。

實施例2

選用油氣田集輸用20鋼管為試驗對象，其外徑為88.9mm，長度為1m。將金屬管2內(nèi)壁進行噴砂處理后，依次用丙酮、無水乙醇沖洗；再用質(zhì)量百分數(shù)為12％的鹽酸溶液浸泡30s以活化金屬管內(nèi)表面。

將氧化鋁球5(粒徑1～8mm)按體積比進行配比，總體積為金屬管2容積的30％，其中粒徑小于5mm的氧化鋁球占65％，粒徑大于5mm的氧化鋁球占35％。

用去離子水配制鍍鎳液3，鍍鎳液3的總體積為金屬管2容積的45％，鍍鎳液3由硫酸鎳、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、氟化氫銨、丁二酸組成，其中硫酸鎳的濃度為20g/L，次亞磷酸鈉的濃度為40g/L，檸檬酸鈉的濃度為10g/L，氟化氫銨的濃度為1g/L，丁二酸的濃度為15g/L。

用氨水將鍍鎳液3的pH值調(diào)節(jié)至4.5，并在鍍液罐中預(yù)熱至60℃，然后與氧化鋁球5一起倒入金屬管2中，將金屬管2兩端用封頭4密封后，將金屬管2水平晃動以使得氧化鋁球5均勻分布，待金屬管2外部加熱帶1的溫度達到60℃后，開動電機10使得金屬管2以100rpm的速度勻速轉(zhuǎn)動，施鍍40分鐘后，即在金屬管2內(nèi)壁制備出納米Ni-P鍍層。

實施例3

選用油氣田集輸用20鋼管為試驗對象，其外徑為88.9mm，長度為1m。將金屬管2內(nèi)壁進行噴砂處理后，依次用丙酮、無水乙醇沖洗；再用質(zhì)量百分數(shù)為12％的鹽酸溶液浸泡30s以活化金屬管內(nèi)表面。

將氧化鋁球5(粒徑1～8mm)按體積比進行配比，總體積為金屬管2容積的35％，其中粒徑小于5mm的氧化鋁球占75％，粒徑大于5mm的氧化鋁球占25％。

用去離子水配制鍍鎳液3，鍍鎳液3的總體積為金屬管2容積的55％，鍍鎳液3由硫酸鎳、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、氟化氫銨、丁二酸組成，其中硫酸鎳的濃度為40g/L，次亞磷酸鈉的濃度為20g/L，檸檬酸鈉的濃度為12g/L，氟化氫銨的濃度為3g/L，丁二酸的濃度為13g/L。

用氨水將鍍鎳液3的pH值調(diào)節(jié)至5，并在鍍液罐中預(yù)熱至80℃，然后與氧化鋁球5一起倒入金屬管2中，將金屬管2兩端用封頭4密封后，將金屬管2水平晃動以使得氧化鋁球5均勻分布，待金屬管2外部加熱帶1的溫度達到80℃后，開動電機10使得金屬管2以500rpm的速度勻速轉(zhuǎn)動，施鍍30分鐘后，即在金屬管2內(nèi)壁制備出納米Ni-P鍍層。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。