管道镍—石墨烯脉冲电沉积复合镀层工艺及性能研究

发布时间：2020-04-18 19:57

【摘要】：随着油气资源勘探开发不断深入,油气资源区域分布不平衡性进一步加剧,油气资源管道输送是解决这一问题的重大举措。但是,超长管道长距离输送,一旦发生局部管道泄漏或故障就会导致整个输送线路的瘫痪。而且有时需更换整段的长距离输送管道,导致油气输送停工、停产、生产成本增加等风险。因此,提高管道设备的防护能力对于油气资源的输送具有重大意义。纳米石墨烯材料在提高零部件性能及防护能力等方面表现出了良好性能,是近几年来科研研究热点课题。由于纳米石墨烯电沉积技术工艺的复杂性,在管道上的应用鲜有报道,为此本文提出针对管道内表面电沉积镍基石墨烯复合镀层制备工艺技术进行研究。现阶段试验检测设备无法对管道曲面镀层进行性能检测分析,作者首先以平行板电沉积镍基石墨烯复合镀层为基础,以期作为管道石墨烯电沉积技术基础和最佳工艺条件。首先对电沉积工艺原理进行理论分析,运用COMSOL Multiphysics多物理场仿真环境,建立纳米材料电沉积仿真分析数学模型,获得电沉积过程中镀液物质量浓度分布、电场强度分布及不同时间段镀层沉积厚度变化特征。并以镀层边界效应和均匀性为指标确定脉冲电流密度范围和极板间距,为实验研究提供理论基础。其次,结合平板电极石墨烯电沉积实验,研究单因素试验研究阴极电流密度、氧化石墨烯浓度、脉冲占空比、脉冲频率等工艺参数对电沉积镍基石墨烯复合镀层耐腐蚀性能的影响规律。在单因素试验基础上进行正交试验,确定应用于管道镍基石墨烯电沉积工艺技术条件。建立适用于管道电沉积实验装置平台,对管道镍基石墨烯电沉积进行实验研究。最后,通过对平行板纯镍镀层、平行板镍基石墨烯复合镀层、管道纯镍镀层、管道镍基石墨烯复合镀层的微观组织结构形貌、显微硬度、镀层厚度和镀层耐腐蚀性检测、对比分析和研究,得出针对管道镍基石墨烯电沉积最佳工艺参数为:阴极电流密度4A/dm2、氧化石墨烯浓度0.07g/L、脉冲占空比30%、脉冲频率1000Hz。
【图文】：

分布情况,电沉积,物理模型,镀液

现对模型进行二维建模，并对模型进行假设：镀液无外部强制对流作用且分布均匀。电沉积体系物理模型如图3.2 所示，其中电沉积中心为坐标点（0,0），极板长度 x 坐标范围（-6.5~6.5），镍板为阳极，尺寸为 40mm 13mm 2mm，阴极为 45#钢板，尺寸为 40mm 13mm 2mm，电极间距为 7mm。脉冲电源阳极（镍板）镀液阴极（试件）镀槽图 3.1 平行板电沉积装置简图图 3.2 平行板电沉积物理模型3.1.2 数学模型及仿真条件在电沉积模型中，离子的反应和电场的分布情况具有时间依赖性，反应能否顺利进行取决于反应离子的平衡和电中性条件。镀液中离子的流量可由 Nernst-Planck 方程计算得出：iiiiiiiN D c zuFc （3.1）其中

电场分布,电场分布,电沉积

第三章电沉积镀层仿真研究 · 0 iiNtc01 niiizc（3.2）在图 3.2 平行板电沉积物理模型中为一个俯视的二维平面结构，镀槽圆形边缘设置为绝缘，中间仿真区域代表电解质溶液，电解质上方长方形边界代表阳极电极，下方长方形边界代表阴极电极。阳极采用镍板，阴极采用 45#钢板。电镀时间设定为 3600s。3.2 仿真结果及分析3.2.1 电镀液电场浓度场云图分布特征按上述条件施加 3A/dm2电流，镀液温度为 323K，极板间距为 7mm。在电沉积仿真 3600s 后电场分布如图 3.3 所示，浓度场分布如图 3.4 所示。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ153

【参考文献】