技术领域
[0001] 本
发明涉及石油行业防腐绝缘技术，特别是涉及一种基于气相沉积方法的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法。
背景技术
[0002] 石油行业的管路、
阀门等零件由于长时间在高的硫化物、氢化物环境下工作，同时大部分管路、阀门采用的材料为
碳钢材料，所以
腐蚀失效问题十分严重。为了解决这样的问题，常用的方法是在高腐蚀环境下采用异种金属如镍基材料、奥氏体
不锈钢来解决该问题，实现防腐蚀要求及成本控制下的综合解决方案。但是异种金属间存在电位差，这种电位差造成的介质中异种金属
接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀，亦称接触腐蚀或双金属腐蚀，使电位较低的金属（
阳极）溶解速度增加，电位较高的金属（
阴极）溶解速度减小。这种情况广泛的发生在管道、阀门的
接口丝扣、
法兰面上，造成设备的腐蚀泄露、锈死等问题，并导致腐蚀部位的绝缘性能遭到严重破坏。
[0003] 目前解决该问题的主要手段基于三种方式：（1）、
喷涂绝缘陶瓷涂层；（2）、采用绝缘密封垫；（3）刷涂绝缘有机涂料。但是这三种技术在实际使用过程中都存在自身明显的不足，包括厚度较大，在处理密封问题的时候要考虑尺寸的工差问题和不易进行整体
工件涂层处理，同时喷涂绝缘陶瓷涂层虽然可使喷涂涂层获得0.1 1.0mm左右的防腐蚀绝缘涂层，~但是应用于石油管道丝扣接口等存在较大
扭矩的环境下，由于较大的厚度及较低的结合强度使得涂层容易崩落，同时由于存在一定的喷涂孔隙率，良好的绝缘性能同时需要稳定耐
有机溶剂溶解的封孔剂来实现，造成工艺的复杂和成本的提高。采用绝缘密封垫的方式，密封可靠性差、容易出现老化、破损现象，同时不能在较高的
温度下工作。刷涂绝缘有机涂料的工艺，所采用的有机涂料存在涂层硬度不高，不能长时间经受
流体冲刷，高温环境下不能使用及容易脱层的问题。因此
现有技术中，尤其是针对石油行业管道、阀门的接口丝扣、法兰面并没有一种很好的防腐绝缘技术。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，创新的提出一种基于气相沉积技术生产的石油管道整体表面防腐绝缘涂层技术。通过若干次创新试验，总结出一种能够在石油管道表面，尤其是在石油管道的丝扣、法兰等表面形成致密的防腐绝缘类金刚石膜的方法，解决了现有绝缘陶瓷涂层、绝缘密封垫、绝缘有机涂料技术不能在高温、高腐蚀环境下长期工作的问题，通过本发明所形成的整体致密防腐绝缘保护膜层的硬度2000-3000HV，
电阻率＞2×109Ω•cm，整个沉积过程可在500℃以下进行，对沉积工件的材料
力学性能能够进行很好保留，同时由于涂层本身的厚度不大于10μm且
覆盖零件整体内外表面，在石油管道丝扣、法兰等零件上应用不需要考虑
密封性能和与其它手段联合使用下
稳定性的问题，具有广阔的推广应用前景。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
[0006] 一种石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、将待处理的石油管道进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为
氨气，氮化
温度控制在500～530℃，渗氮时间控制在5-8小时，渗氮处理后冷却至室温；
[0008] 步骤二、将步骤一处理后的石油管道放进
电解抛光池中进行表面电解抛光，以石油管道为阳极，
石墨为阴极，电解液是浓度为90%的
硫酸、丙三醇、糖精和浓度为98%的
磷酸的混合溶液，其体积比为25.0-30.0V%:2.5-3.0V%:0.5-1V%:余量，控制
电流密度为35-55A/dm2，温度保持在55-65℃；
[0009] 步骤三、将经步骤二处理后的石油管道在
超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗溶液采用丙
酮溶液、
乙醇溶液或丙酮和乙醇的混合溶液，清洗处理后的石油管道表面用非
纤维编制软布擦拭干净；
[0010] 步骤四、将经步骤三处理后的石油管道悬挂于
化学气相沉积设备中；
[0011] 步骤五、控制步骤四中的化学气相沉积设备升温到150-200℃，并同时抽
真空到2×10-2Pa以下，然后通入氩气，控制气流量为160sccm，待化学气相沉积设备内的真空度达到1.9-2.1Pa后，开启射频源，控制射频功率＞200W，同时在石油管道上施加-100V至-200V
偏压，利用电离氩离子对石油管道表面进行轰击清洗，轰击清洗时间＞10min；
[0012] 步骤六、完成步骤五后，在所述化学气相沉积设备中通入氩气和甲烷，控制氩气的气流量为160sccm，控制甲烷的气流量为220-280sccm，保持化学气相沉积设备内压力处于2.0-3.0Pa，开启射频源，控制射频功率＞200W，同时在石油管道上施加-100V至-150V的偏压，利用甲烷的高能电离、分解在石油管道表面沉积形成厚度在1-10微米间的类金刚石
薄膜，整个沉积过程控制在3小时以上；
[0013] 步骤七、待步骤六沉积
镀膜完成后，关闭射频源和甲烷阀门，开启调节阀继续通氩气，待化学气相沉积设备内压强减小，温度降到室温后，关闭所有电源，关闭氩气阀门，用夹子取出镀膜后的石油管道；
[0014] 步骤八、将经步骤七取出的石油管道置于通
风平面上，待降到室温后，再在石油管道表面涂上一层均匀的机油，完成对石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理。
[0015] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤二中的电解抛光时间控制在3-5min，且抛光后石油管道表面的粗糙度Ra≯0.40μm。
[0016] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤三中的非纤维编制软布为
无纺布或人造吸
水布。
[0017] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤四中的化学气相沉积设备为射频
辉光放电等离子体增强型化学气相沉积设备。
[0018] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤五中抽真空时，先采用机械
泵抽真空到1.9-2.1Pa，然后关闭机械泵，开启分子泵，继续抽真空到2×10-2Pa以下。
[0019] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤六中通入氩气的纯度为99.99%，通入甲烷的纯度为99.99%。
[0020] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中步骤八得到的石油管道表面的显微硬度达到2000HV以上，电阻率在2×109Ω•cm以上，采用
铜加速盐雾腐蚀进行测试的耐腐蚀时间在100小时以上。
[0021] 进一步的根据本发明所述的石油管道表面的防腐绝缘耐磨处理方法，其中所述的石油管道表面为石油管道丝扣面或者石油管道法兰面。
[0022] 本发明的技术方案具有以下独创技术特色和创新技术效果：
[0023] 1）、本发明所述方案在进行气相沉积之前，创新的在石油管道丝扣、法兰等零件表面进行渗氮处理，增加了石油管道丝扣、法兰等零件的表面硬度，减小了石油管道丝扣、法兰等零件表面与薄膜之间的硬度梯度，能较大的提高薄膜与石油管道丝扣、法兰等零件表面的结合性能；
[0024] 2）、本发明所述方案在石油管道丝扣、法兰等零件在进行气相沉积之前，创新的将石油管道丝扣、法兰等零件进行电化学腐蚀抛光，提高了石油管道丝扣、法兰等零件表面粗糙度，提高了薄膜与石油管道丝扣、法兰等零件表面的结合性能，提高了膜层表面光洁度及密封性能；
[0025] 3）、本发明所述方案采用了最先进
表面处理技术，相对于传统工艺具有更高的表面
耐腐蚀性能,可大幅度提高处理后零件在石油工作面下恶劣环境中表面的耐腐蚀性能；
[0026] 4）、本发明所述方案制备的绝缘性类金刚石薄膜，与传统的工艺相比，具有更高的表面
耐磨性能，其表面硬度在2000-3000HV，可大幅度提高处理后零件在石油工作面下恶劣环境中表面的耐磨性能；
[0027] 5）、本发明所述方案通过化学气相沉积（CVD）方法在零件表面沉积一层薄膜，该薄膜厚度尺寸小（1-10um），无需考虑由于尺寸工差所引起的密封问题；
[0028] 6）、本发明所述方案中的薄膜为类金刚石薄膜，有较好的绝缘性（电阻率＞2×109Ω•cm），完全能满足石油行业中避免异种材料电位差的绝缘要求；
[0029] 7）、本发明所述方案中的薄膜为类金刚石薄膜，与零件表面结合强度高，因此能长时间经受流体冲刷，高温环境下仍保持薄膜的完整性；
[0030] 8）、本发明所述方案完全避免了传统涂绝缘有机涂料技术带来的环境污染问题，具有良好的环保性；
[0031] 9）、本发明所述方案制备的石油管道表面防腐绝缘涂层相对传统的喷涂绝缘陶瓷涂层技术、采用绝缘密封垫以及刷涂绝缘有机涂料技术，具有更高的稳定性能及表面耐腐蚀性能，并具有优异的抗老化性、抗冲击性、抗弯曲性能，且不易
破碎，具有更好的工艺适用性，并在大幅提高零件表面性能的前提下兼顾了良好的经济适用性，在石油管道丝扣、法兰等零件表面耐腐蚀绝缘处理中具有广阔的市场推广前景。
具体实施方式
[0032] 以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
[0033] 本发明针对石油管道创新提出一种表面防腐绝缘耐磨处理的再生方法，通过在石油管道表面制备防腐绝缘涂层，尤其是在石油管道的丝扣、法兰表面制备防腐绝缘涂层来大幅提升其耐磨绝缘特性，以下具体说明在石油管道工件上制备防腐绝缘涂层的过程，包括以下步骤：
[0034] （1）将待处理的石油管道工件进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度控制在500～530℃，渗氮时间控制在5-8小时，渗氮处理后冷却至室温；
[0035] （2）将步骤（1）处理后的石油管道工件放进电解抛光池中对工件表面进行电解抛光，工件为阳极，石墨为阴极。电解液为浓度为90%的硫酸、丙三醇、糖精及浓度为98%的磷酸的混合溶液，其体积比例为25.0-30.0V%:2.5-3.0V%:0.5-1V%:余量，控制电流密度为35-55A/dm2，温度保持在55-65℃，时间3-5min。要求抛光后工件表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
[0036] （3）将经步骤（2）处理后的石油管道工件在
超声波清洗槽中进行表面清理，溶液采用丙酮溶液或乙醇溶液或丙酮和乙醇的混合溶液，但优先选择丙酮溶液。处理后石油管道工件用干净的非纤维编制软布（如无纺布、人造吸水布）擦拭干净；
[0037] （4）将经步骤（3）处理后的石油管道工件悬挂于化学气相沉积设备中；
[0038] （5）将步骤（4）中的化学气相沉积设备采用
热电偶测温，升温到150-200℃，并同时采用机械泵抽真空到1.9-2.1Pa后，关闭机械泵，开启分子泵，继续抽真空到2×10-2Pa。真空度达到后通入氩气（Ar），气流量为160sccm，等真空度达到1.9-2.1Pa后，开启射频源，控制功率＞200W，同时在石油管道工件上加-100至-200V偏压。在高
能量激发下，氩气电离得到氩离子（Ar+），氩
离子轰击石油管道工件表面，对石油管道工件表面进行轰击清洗，清洗时间＞10min；
[0039] （6）完成步骤（5）后，在化学气相沉积中通入氩气（Ar）和甲烷（CH4），其中氩气（Ar）气流量为160sccm，甲烷（CH4）气流量为220-280sccm，保持设备内压力为2.0-3.0Pa，开启射频源，功率＞200W，同时在待镀膜的石油管道工件上加-100至-150V的偏压。甲烷气体在高能量激发下，电离或分解为碳离子或碳
原子，碳离子或碳原子在偏压作用下，在石油管道工件表面反应生成绝缘性能较好的SP2基团及硬度较高的SP3基团，基团在石油管道工件表面继续吸收新生成的SP2和SP3基团，最终在石油管道工件表面沉积厚度在1-10um耐磨且绝缘的类金刚石薄膜,整个沉积过程时间＞3h；
[0040] （7）待步骤（6）完成后，关闭射频源及甲烷（CH4）阀门，开启调节阀，继续通氩气，等待炉内压强减小，炉内温度下降；
[0041] （8）待炉内温度降到室温后，关闭所有电源，关闭氩气阀门，打开炉门，用夹子取出镀膜后的石油管道工件；
[0042] （9）将经步骤（8）取出的石油管道工件置于
通风平面上，待降到室温后，再在石油管道工件表面涂上一层均匀的机油，完成对石油管道表面的防腐绝缘处理。
[0043] 本发明通过上述方法在石油管道表面沉积形成一层厚度在1-10微米间的类金刚石防腐绝缘膜，经过试验测试，所形成的类金刚石膜层为致密的防腐绝缘膜，表面显微硬度可达到2000HV以上，相对于传统的涂层、涂料技术，具有更加优异的耐磨性、抗冲击性和抗弯曲性能，同时电阻率在2×109Ω•cm以上，满足了石油行业的绝缘性能要求，采用铜加速盐雾腐蚀（CASS）进行测试，耐腐蚀时间在100小时以上，相对于传统技术具有更高的稳定性能及表面耐腐蚀性能，同时整个工艺过程温度在500℃以下进行，工件偏压控制在-100至-200V间，镀膜时设备内压力仅为2.0-3.0Pa，避免了高温高压镀膜环境下对沉积工件材料力学性能的影响和破坏，以更加经济适用的简化工艺程度，促进了本发明所述技术在石油管道表面处理中的广泛推广应用。表1为本发明所述方法与三种传统工艺的综合性能对比说明。
[0044] 表1 多种工艺性能对比说明
[0045]。
[0046] 下面以石油管道中的丝扣、法兰为例，具体说明本发明所述方法在石油管道丝扣、法兰等零部件上的应用。
[0048] 对石油管道丝扣表面进行防腐绝缘处理，具体包括以下步骤：
[0049] （1）、将待处理的石油管道丝扣进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度控制在500℃，渗氮时间控制在5小时，渗氮处理后冷却至室温；
[0050] （2）、将步骤（1）处理后的石油管道丝扣放进电解抛光池中对丝扣表面进行电解抛光，丝扣为阳极，石墨为阴极。电解液为浓度为90%的硫酸、丙三醇、糖精及浓度为98%的磷酸的混合溶液，各溶液的混合体积比为200:20:3:500；控制电流密度为35A/dm2，温度保持在60℃，时间5min，要求抛光后丝扣工件表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
[0051] （3）、将经步骤（2）处理后的石油管道丝扣在超声波清洗槽中进行表面清理，溶液采用丙酮溶液，处理后石油管道丝扣用干净的无纺布擦拭干净；
[0052] （4）、将经步骤（3）处理后的石油管道丝扣悬挂于射频
辉光放电等离子体增强型化学气相沉积（RF-PECVD）设备中；
[0053] （5）、将步骤（4）中的化学气相沉积设备采用热电偶测温，升温到150℃，并同时采用机械泵抽真空到2.0Pa后，关闭机械泵，开启分子泵，继续抽真空到2×10-2Pa。真空度达到后通入氩气（Ar），气流量为160sccm，等真空度达到2.0Pa后，开启射频源，功率为280W，同时在石油管道丝扣上加-200V的偏压，对石油管道丝扣表面进行轰击清洗，清洗时间30min；
[0054] （6）、完成步骤（5）后，在上述化学气相沉积中继续通入氩气（Ar）和甲烷（CH4），氩气（Ar）的纯度为99.99%，甲烷（CH4）纯度为99.99%，且氩气（Ar）的气流量控制为160sccm，甲烷（CH4）的气流量控制在260sccm，保持设备内压力处于2.0Pa，开启射频源，功率280W，同时在石油管道丝扣上加-150V的偏压，整个沉积过程控制在4h，最终在石油管道丝扣表面沉积厚度处于1-10um间的耐磨且绝缘的类金刚石薄膜；
[0055] （7）、待步骤（6）完成后，关闭射频源及甲烷（CH4）阀门，开启调节阀，继续通氩气，等待炉内压强减小，炉内温度下降；
[0056] （8）、待炉内温度降到室温后，关闭所有电源，关闭氩气阀门，打开炉门，用夹子取出镀膜后的石油管道丝扣；
[0057] （9）、将经步骤（8）取出的石油管道丝扣置于通风平面上，待降到室温后，再在石油管道丝扣表面涂上一层均匀的机油，完成对石油管道丝扣表面的防腐绝缘处理。
[0058] 实施例2
[0059] 对石油管道法兰表面进行防腐绝缘处理，具体包括以下步骤：
[0060] （1）、将待处理的石油管道法兰进行表面气体渗氮处理，渗氮介质为氨气NH3，氮化温度控制在530℃，渗氮时间控制在6小时，渗氮处理后冷却至室温；
[0061] （2）、将步骤（1）处理后的石油管道法兰放进电解抛光池中对法兰表面进行电解抛光，法兰为阳极，石墨为阴极。电解液为浓度为90%的硫酸、丙三醇、糖精及浓度为98%的磷酸的混合溶液，各溶液的混合体积比为27:2.5:0.5:70；控制电流密度为45A/dm2，温度保持在65℃，时间5min，要求抛光后法兰工件表面的粗糙度Ra≯0.40μm；
[0062] （3）、将经步骤（2）处理后的石油管道法兰在超声波清洗槽中进行表面清理，溶液采用丙酮和乙醇混合溶液，处理后石油管道法兰用干净的人造吸水布擦拭干净；
[0063] （4）、将经步骤（3）处理后的石油管道法兰悬挂于射频辉光放电等离子体增强型化学气相沉积（RF-PECVD）设备中；
[0064] （5）、将步骤（4）中的化学气相沉积设备采用热电偶测温，升温到180℃，并同时采-2用机械泵抽真空到2.0Pa后，关闭机械泵，开启分子泵，继续抽真空到2×10 Pa。真空度达到后通入氩气（Ar），气流量为160sccm，等真空度达到2.0Pa后，开启射频源，功率为260W，同时在石油管道法兰上加-180V的偏压，对石油管道法兰表面进行轰击清洗，清洗时间30min；
[0065] （6）、完成步骤（5）后，在上述化学气相沉积中继续通入氩气（Ar）和甲烷（CH4），氩气（Ar）的纯度为99.99%，甲烷（CH4）纯度为99.99%，且氩气（Ar）的气流量控制为160sccm，甲烷（CH4）的气流量控制在260sccm，保持设备内压力处于2.0Pa，开启射频源，功率260W，同时在石油管道法兰上加-130V的偏压，整个沉积过程控制在3h，最终在石油管道法兰表面沉积厚度处于1-10um间的耐磨且绝缘的类金刚石薄膜；
[0066] （7）、待步骤（6）完成后，关闭射频源及甲烷（CH4）阀门，开启调节阀，继续通氩气，等待炉内压强减小，炉内温度下降；
[0067] （8）、待炉内温度降到室温后，关闭所有电源，关闭氩气阀门，打开炉门，用夹子取出镀膜后的石油管道法兰；
[0068] （9）、将经步骤（8）取出的石油管道法兰置于通风平面上，待降到室温后，再在石油管道法兰表面涂上一层均匀的机油，完成对石油管道法兰表面的防腐绝缘处理。
[0069] 最后作为对比，将石油管道传统的防腐绝缘处理工艺即喷涂绝缘陶瓷涂层、采用绝缘密封垫和刷涂绝缘有机涂料作为对比例，与本发明的实施方案进行对比。
[0070] 对比例1
[0071] 采用常规绝缘密封垫的石油管道丝扣或法兰。
[0072] 对比例2
[0073] 采用常规喷涂绝缘陶瓷涂层的石油管道丝扣或法兰。
[0074] 对比例3
[0075] 采用常规刷涂绝缘有机涂料的石油管道丝扣或法兰。
[0076] 表2 石油管道丝扣或法兰处理后检验结果
[0077] 。
[0078] 可见通过本发明所述方法形成的类金刚石膜层为致密的防腐绝缘膜，具有较高的表面显微硬度（2000HV以上）和较强的耐腐蚀性能和膜层结合能力，且能够很好的满足石油行业的绝缘性能要求，大大提高了石油管道的使用寿命，同时本发明所提供的表面处理工艺对温度、偏压等的要求较低，简化了工艺操作复杂性，在镀膜环境下有效保留了沉积工件的材料力学性能，能够广泛推广应用于石油管道表面处理技术领域。
[0079] 以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的
基础上所作的任何公知
变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以
权利要求书的记载为准。
