具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料,其制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，包括以下质量份数的组分：Cu45％～75％，Zn15％～30％，Ni6.0％～22％，Sn2.0％～10％，Pb1.0％～15％，Al2O30.1％～1.0％，以上各组分质量份数之和为100％。本发明还公开其制备方法，将各原材料融化形成均匀熔体，浇注至不锈钢锭模中，浇注5～8秒后进行30～40秒旋转电磁搅拌，冷却，结壳形成金属锭，浇水冷却成型即可。本发明的纳米颗粒增强合金材料，硬度为180～220HV，组织为均匀等轴晶，晶粒度为7～8级，合金在水中的阻垢率为75～85％，可用于油田管道的金属防垢。
【专利说明】具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，其制备方法及应 用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金材料，具体涉及一种具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，属 于合金【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 目前油田的油水井都存在结垢的现象，该垢样经分析化验得知主要是钙、镁、钡、 锶垢盐。油田常用的处理措施有化学药剂防垢、物理防垢和金属防垢。化学药剂防垢工艺 对环境造成污染且存在着防垢有效期短和费用高等缺点，物理防垢使用较少，防垢效果不 明显。金属防垢目前在国内没有成熟产品，购买进口的金属防垢材料单一，对油田的具体井 况适应性不强，如缺少针对Y型电泵管柱的金属防垢工具，不能满足现阶段油田的实际生 产需求，导致金属防垢材料不能在海上油田大规模推广。
[0003] 为了在海上油田推广应用金属防垢材料，同时也为了降低实施金属防垢工艺的成 本，有必要开展金属防垢材料的技术研究，研究和开发出先进的金属防垢材料，设计出能满 足普通油井的金属防垢材料，为油田稳产、增产提供技术支持。
[0004] 目前国内外防垢功能材料的研究已有相关报道出现。例如，中国专利 200510014729. 5, 一种功能合金材料及其制备方法和用途；中国专利200810024432. 0, 一 种具有防垢功能的铜基触媒合金及其制备方法；国外专利NO. 4789031，一种合金防垢装 置。已有的专利给出了防垢合金材料的成分和制备方法，但防垢合金材料的性能尚有待进 一步改善，如机械性能及防垢性能，以适用于不同的工作环境，如海上油田管道金属防垢， 不仅要求合金材料有较好的防垢性能，还需要合金材料具有一定的强度和硬度。因此，为了 适应不同工作条件的需求，迫切需要进一步改善防垢合金材料的性能。
【发明内容】
[0005] 针对海上油田管道金属防垢问题，并解决现有合金材料硬度低、组织不均匀影响 防垢效果的问题，本发明提供一种具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，并公开其制备 方法，本发明的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料可用于去除或防止海上油田管道壁 的结垢，亦适用于其他油水管道的防垢，并具有适应性强、性能稳定、节能高效、寿命长、免 维护、无污染等优点。
[0006] 本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，包括以下质量份数的组分：
[0008] Cu 45% ?75% Zn 15% ?30% Ni 6.0% ?22% Sn 2.0% ?10% Pb 1.0% ?15% Al2O1 0.1 %?1.0%
[0009] 以上各组分质量份数之和为100%。
[0010] 进一步地，所述具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，包括以下质量份数的组 分：
[0011] Cu 50% ?60% Zn 20% ?30% Ni 10% ?20% Sn 5.0% ?10% Pb 2_5% ?10% Al2O3 0? 2% ?0.6%
[0012] 以上各组分质量份数之和为100%。
[0013] 本发明的另一技术目的在于提供所述具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的 制备方法，包括以下步骤：
[0014] ①按设定的质量份数准备各原材料，先将铜、镍和三氧化二铝混合加入到已烧至 暗红的干锅中，加热至1300?1400°C，融化；
[0015] ②将锌、锡和铅加入，保持温度为1200?1280°C，搅拌，形成均匀熔体；
[0016] ③将熔体金属浇注到不锈钢锭模中，自浇注5?8秒后进行30?40秒旋转电磁 搅拌；
[0017] ④冷却10?20分钟后，熔体表面结壳形成金属锭，浇水冷却成型即可。
[0018] 进一步的，所述制备方法中，所述各原材料的纯度均> 99. 9%，所述三氧化二铝的 粒度为40?60nm，在与铜和镍混合前，先在无水乙醇中球磨2?3小时，得到颗粒疏松、 分散，不发生团聚的三氧化二铝；步骤③中所述旋转电磁搅拌的频率为50?60Hz，电流为 80 ?90A。
[0019] 本发明的再一技术目的在于提供所述具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料在 油田管道金属防垢的应用，尤其是海上油田管道的金属防垢。本发明的合金材料组织为均 匀等轴晶，晶粒度为7?8级，硬度为180?220HV ;可通过机械加工获得片状、筒状及螺旋 状防垢元件，防垢元件在水中的阻垢率为75?85%。
[0020] 上述具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的阻垢机理是：通过电子转移来稳定 离子，起到阻止水垢的形成的作用。当合金与水溶液接触时可起到一种特殊的催化体作用， 即其表面形成无数微小电池反应，对流体产生的极化效应，使所接触流体的静电动势发生 改变，从而使流体中各种物质分子之间结合力场发生改变，使固相颗粒处于悬浮分散状态， 可抑制垢的形成。同时，合金释放出的Zn2+，水中微量Zn2+的存在可影响碳酸钙晶核形成和 结晶取向，使结晶向异构方向转化，使其发生晶格畸变，形成一种锌和钙的固溶体合成物， 最终阻止水垢的形成。
[0021] 具体而言，水中结垢离子有Ca2+、Mg2+、CO广、SO广和HCCV，当含结垢离子的水与防 垢元件接触时，将发生如下变化：
[0022] (l)Ca2++2e-- Ca0
[0023] (2)Mg2++2e-- Mg0
[0024] (3) HCCV+xe- - HCCV+xe-(抑制分解成 CO32' H20、CO2)
[0025]
【权利要求】
1. 具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，其特征在于：包括以下质量份数的组分： Cu 45%?75% Zn 15%?30% Ni 6.0%?22% Sn 2.0%?10% Pb 1.0%?15% Al2O3 0.1 %?1.0% 以上各组分质量份数之和为100%。
2. 根据权利要求1所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料，其特征在于：所述 组分的质量份数为： Cu 50%?60% Zn 20%?30% Ni 10%?20% Sn 5.0%?10% Pb 2.5%?10% Al2O3 0. 2%?0.6% 以上各组分质量份数之和为100%。
3. 权利要求1或2所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的制备方法，包括以 下步骤： ① 按设定的质量份数准备各原材料，先将铜、镍和三氧化二铝混合加入到已烧至暗红 的干锅中，加热至1300?1400°C，融化； ② 将锌、锡和铅加入，保持温度为1200?1280°C，搅拌，形成均匀熔体； ③ 将熔体金属浇注到金属锭模中，自浇注5?8秒后进行30?40秒旋转电磁搅拌； ④ 冷却10?20分钟后，熔体表面结壳形成金属锭，浇水冷却成型即可。
4. 根据权利要求3所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的制备方法，其特征 在于：所述三氧化二铝的粒度为40?60nm。
5. 根据权利要求3或4所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的制备方法，其 特征在于：步骤①中所述三氧化二铝先在无水乙醇中进行球磨2?4小时，再与铜和镍混 合。
6. 根据权利要求3所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的制备方法，其特征 在于：步骤③中所述旋转电磁搅拌的频率为50?60Hz，电流为80?90A。
7. 根据权利要求3所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料的制备方法，其特征 在于：所述各原材料的纯度均>99. 9%。
8. 权利要求1或2所述的具有防垢功能的纳米颗粒增强合金材料在油田管道金属防垢 中应用。
【文档编号】F16L58/00GK104451247SQ201410669101
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】李国宾, 刘敏, 罗建伟, 徐国雄 申请人:大连海事大学, 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司