金属材料表面纳米化研究现状
第36卷第3期石油工程建设
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金属材料表面纳米化研究现状
刘红
（中海油能源发展油田建设渤海工程分公司，天津300452）
0引言
纳米晶体材料因具有独特的结构特征，从而
具有一系列优异的力学及物理化学性能[1]。利用纳米金属材料的优异性能对传统工程金属材料进行结构改良，有可能提高工程材料的综合力学性能及服役寿命。众所周知，在服役环境下，工程结构材料的失效多始于表面，材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。
纳米化的概念，即在材料的表面制备出一定厚度性能优异的纳米结构表层，通过表面组织性能的优化来提高材料的综合力学性能及环境服役能力。采用表面纳米化技术在金属材料表面获得具有实用意义的纳米结构，有望使其抗疲劳、耐磨、耐蚀等性能得到改善，同时可有效提高材料性价比，降低工程成本。近年来，表面纳米化已引起国内外学者的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。迄今为止，已经采用某些表面机械加工处理法成功地对纯铁、纯铜、铝合金、40Cr 、不锈钢和低碳钢等材料表面实现了纳米化[3-5]，而对于机械零件中常用的综合性能较好的热处理合金钢表面纳米! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
摘
中的应用及发展趋势。
关键词：金属材料；表面纳米化；机械性能；研究现状；对比中图分类号：TB383
文献标识码：A
文章编号：1001－2206（2010）03－0011－06
进行了展望。
要：金属表面纳米化是近几年发展起来的一项新技术，具有广阔的发展空间，工程上材料的失
效大多来自于表面，采用表面纳米化技术有可能对表面进行强化，这对提高机械零件的使用寿命具有重要意义。文章阐述了金属表面纳米化的方法以及表面纳米化对金属材料力学性能、疲劳性能、耐磨性能、耐蚀性能、热稳定性、化学热处理性能的影响，论述了表面纳米化技术在石油工程建设
本文结合近几年来表面纳米化研究现状，介绍了表面纳米化技术对材料性能影响的研究进展，并对它们进行了对比，对表面纳米化技术发展趋势也
1表面纳米化制备方法
材料表面纳米化的方法有3种[6-8]：表面涂层
或沉积、表面自纳米化以及表面自纳米化与化学处理相结合的混合方式。表面涂层或沉积方法是在制备出具有纳米尺度的颗粒后，将其固结在材料表面，在材料上形成一个与基体化学成分相同（或不同）的纳米结构表层。表面自身纳米化是对多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。混合方式是将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物。
其中，表面自纳米化（SSNC ）是近几年提出的新概念，与其他两种方式相比，它有其独特的优点：工艺简单，成本低，易于实现；表面纳米层结构致密，无孔隙、污染等缺陷，化学成分与基体相同；所得纳米结构表层因具有梯度结构，在使用过程中不易剥落、分离。正是这些优点才使得表面自纳米化（SSNC ）技术成为近年的研究热点之一。目前，国内在这方面做的工作最多的要数沈阳金属1999年，K Lu 和L Lu [2]提出了金属材料表面
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石油工程建设2010年6月
Sauer 等[9]最早对各种材料的表面纳米化行为
进行了研究，并根据层错能的大小把材料的表面纳米化机制分为三类。此后大多采用表面机械研磨法（Surface Mechanical Attrition Treatment ，SMAT ）[6，10]对金属材料进行表面纳米化，然而该方法适用于实验室研究，不适于对大面积复杂形状的金属零件进行表面处理，限制了其在工业上的进一步应用。
8.0GPa 和12.5GPa ，并随着深度的增加硬度迅速
降低。
王志平等[16]采用超音速微粒轰击技术实现了
0Cr18Ni9Ti 不锈钢和16MnR 低合金钢焊接接头表
面的纳米化，研究结果表明，处理后母材、焊缝和热影响区的表层明显强化，与样品的芯部相比，表层的硬度均提高了两倍以上。0Cr18Ni9Ti 钢和
2表面纳米化对金属材料力学性能的影响表面纳米化使材料表面的力学性能得到不同程
16MnR 钢焊接接头经超音速颗粒轰击后，在两种
钢表层皆产生了一个压力层。其中，0Cr18Ni9Ti 钢焊缝表层最大压应力达到580MPa ，压应力层深度约为360μm ；16MnR 钢的最大压应力达到
度的改善。表面纳米晶层的硬度显著提高，并随着深度的增加而逐渐减小；与显微组织未发生变化的芯部相比，表面硬度可提高几倍，表面以下的亚微晶层的硬度也明显地增大。硬度随d -1/2（d 为晶粒尺寸）呈线性增加，与传统的Hall-Petch 关系一致，也与其他超细晶材料的力学性能研究结果相符，因此可以确定表面纳米化对材料的强化有贡献。
370MPa ，压应力层深度约为220μm 。
3表面纳米化对金属材料的疲劳性能的影响
材料经过表面纳米化处理之后，表层形成的组织均匀、性能均一的纳米晶层可以有效地抑制疲劳裂纹的萌生，同时表面形成的压应力层也有助于提高材料的抗疲劳性能。
韩同伟等[17]对未表面纳米化处理和表面纳米化处理的两组试件进行了对比拉伸低周疲劳试验。结果表明，表面纳米化后的试件的疲劳寿命有一定的提高，即超声喷丸处理可以有效地提高316L 不锈钢的疲劳寿命，在95%置信度下，经16min 超声喷丸表面纳米化处理的316L 不锈钢板的中值疲劳寿命是未处理钢板的中值疲劳寿命的1.09～1.62倍。超声喷丸处理在表面形成的残余压应力和晶粒细化的表面强化层对提高材料的滑移抗力、阻碍微裂纹的扩展和联接、延长疲劳寿命起了重要作用。
Liu 等[11]对经双面SMAT 处理的低碳钢进行了拉伸试验，结果显示其屈服强度提高了35%，且断裂延伸率不变。最近的研究表明[12]，316L 奥氏
体不锈钢经表面纳米化后，拉伸屈服强度达到了
1450MPa ，是粗晶的6倍，仍然满足H-P 关系
式。这主要是由于纳米晶粒的存在阻碍了位错的运动，材料表层的强度明显地高于芯部从而阻断了滑移的发展的结果。
朱琳[13]的实验结果表明，10#钢经过旋转滚压塑性变形后，表面层的晶粒尺寸大约为20nm ，变形层厚度大约为800μm ，表面显微硬度大约为
600HV ，比原始退火态提高了约3倍。
Zhao 等[14]在低温（液氮温度）下对Cu 表面自纳米化进行研究后发现，试样的屈服强度（σ0.2）
达600MPa ，抗拉强度达633MPa ，是常规晶粒试样的10倍以上。可见表面纳米化对提高材料强度具有显著的强化效果。
张俊宝等[15]利用高能表面处理技术在40Cr 钢和GCr15钢表面制备了纳米晶表面层。采用TEM 和纳米压痕技术等分析测试了表面纳米晶层的组织结构与纳米硬度。实验结果表明：经高能表面处理后，40Cr 钢和GCr15钢表层组织均由分布均匀的纳米铁素体和渗碳体晶粒构成，表面至5μm 深度范围内的平均晶粒尺寸分别约为8nm 和10nm ；表Roland 等[18]对316L 不锈钢的SMAT 试样进行
研究表明，在表面层产生了残余压应力，纳米晶组织阻止了位错的运动，延缓了裂纹形核，从而提高了材料的疲劳寿命。
李东等[19]利用SMAT 技术，在SS400钢焊接接头表面形成了尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织，表层硬度明显高于内部，且表层硬度实现了均匀化，从而消除了对接接头表层组织的不均匀性，使焊接接头表面的拉应力变为压应力，提高了焊接接头的抗疲劳性能。
4表面纳米化对金属材料耐磨性能的影响金属材料表面晶粒细化至纳米晶后，材料的表
面硬度和强度都会得到很大的改善和提高，而表面
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Wang 等[20]利用往复式摩擦试验机研究了表面
纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响，结果显示
35nm 时，纳米低碳钢的电化学腐蚀速度随晶粒尺
度的增加而降低，当晶粒尺寸大于35nm 时，晶粒尺度对腐蚀速度的影响不大。Wang 等[25]采用表面喷砂和退火处理在304不锈钢表面制备了20nm 的纳米化层，表面形成的致密的钝化膜提高了材料的抗腐蚀性。
熊天英等[26]研究了不锈钢0Cr18Ni9Ti 焊接接头表面纳米化及接头抗H 2S 应力腐蚀的情况，结果表明，表面纳米化处理显著地提高了焊接接头的抗应力腐蚀（SCC ）性能。张淑兰等[27]的腐蚀实验表明，纯钛焊接接头表面纳米化可以提高接头在室温下耐20%盐酸的腐蚀性能。Raja 等[28]利用喷丸技术对Ni-22Cr-13Mo-4W 合金表面进行自纳米化和低温退火研究，发现合金在盐酸中的耐腐蚀性能得到显著提高。
金属材料表面纳米化后进行退火处理有利于提高合金的耐腐蚀性能，原因可能是纳米晶态提供了更多的扩散通道，从而提高了扩散速率，使得表面生成了更稳定致密的钝化膜。
SMAT 样品中纳米结构表层的磨损体积小于未处理
样品的磨损体积，不同载荷下的摩擦系数明显小于原始样品的摩擦系数（约为后者的1/2），表面纳米化可以提高低碳钢在中低载荷作用下的耐磨性。
严伟林等[21]利用传统喷丸技术在高锰钢表面获得纳米晶结构表层，试样表面的硬度随喷丸时间增加而增加。在软磨料磨损的条件下，2～30min 喷丸的试样耐磨性有明显提高，尤其是30min 喷丸的试样其耐磨性提高了72%。喷丸时间过长的试样，因产生了微裂纹而使其耐磨性下降。表面纳米化使高锰钢的磨损机理发生改变，未喷丸处理的试样主要为微观切削，而喷丸处理的试样则主要为疲劳剥落导致的磨损，说明表面纳米化通过改变磨损机理提高了材料耐磨性。
刘阳等[22]采用超音速微粒轰击技术对20﹟钢进行表面纳米化处理，发现超音速微粒轰击在表面形成纳米层过程中使材料发生流失和表面粗糙度增大。在干摩擦和油润滑条件下，微粒轰击样品的磨损率分别是未轰击样品的2.77和1.83倍，轰击抛光样品的磨损率则比未轰击样品分别降低了26%和42%。
李曙等[23]概括了工业纯铁块体纳米材料和
6表面纳米化对金属材料热稳定性的影响纳米晶材料是一种非平衡材料，其热稳定性一
直都是科研人员研究的重要课题，同样表面纳米化层的热稳定性能也是涉及到表面纳米化技术能否实际应用的一个重要问题。
有研究表明，纯Fe 纳米晶层加热至350℃并保温2h 晶粒未长大，微观应变释放为零，加热至
20﹟钢表面纳米化材料的摩擦学性能研究结果，得
出纳米化金属材料的摩擦学性能与摩擦磨损实验条件密切相关；在研究工作的范围内，对于较高载荷下的干摩擦，纳米化金属材料并未表现出预想的更优良的摩擦学性能；而在油润滑条件下，由于金属材料纳米化表面具有较高的活性，特别是更易于与润滑添加剂反应，因而表现出更好的耐磨性和较低的摩擦因数。
550℃以上晶粒才明显长大。佟伟平[29]研究了经SMAT 处理的纯Fe 和38CrMoAl 表面纳米化层的热
稳定性，结果表明，表面纳米化层具有一定的热稳定性。通过XRD 和TEM 观察纯铁在450℃退火
6h 后晶粒的变化情况，退火后晶粒尺寸比未退火
前有所长大，晶粒大小为10～45nm ，但仍小于
5表面纳米化对金属材料耐蚀性能的影响纳米晶体金属由于大量晶界的存在，具有很高
100nm 。在高于500℃时这种稳定性丧失，晶粒
长大。对于38CrMoAl ，试验显示400℃等温退火
的活性，按照传统的腐蚀理论，晶界是腐蚀的活性区，目前关于纳米晶体材料的耐腐蚀机理也只是处于研究讨论阶段。如果纳米晶体材料的耐腐蚀性能很差，那么其诱人的应用前景必然会受到很大的限制。
李瑛等[24]研究了SMAT 低碳钢的电化学腐蚀行为，研究结果表明材料的反应活性普遍增加，对于活性金属，纳米化使材料的腐蚀速度增加，并且30h 晶粒尺寸仍保持在30nm 左右。
7表面纳米化层对金属材料化学热处理的影响
利用表面自纳米化可以极大地提高传统的表面化学处理效果，这是由于表面纳米化使材料表面的化学性能发生了变化，纳米结构表层存在着大量的非平衡晶界，这些高体积分数的晶界为原子扩散提供了理想的通道，有助于大幅度提高材料表面化学
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石油工程建设2010年6月
在金属材料中扩散的动力学过程[30]，使得表面的化学处理更容易进行，同时也将提高材料中形成化合物相的能力。
3～10倍，负荷承载能力也有显著的提高。这归因
于表面纳米化后的低温等离子渗氮，AISI 321不锈钢表面形成了更厚的“S 相”和氮的扩散层，改善了表面的硬度分布梯度。该研究将工程上常用的不锈钢作为研究对象，从材料的表面纳米化出发，优化了奥氏体不锈钢等离子渗氮层的结构和性能。
Tong 等[31]用SMAT 方法在Fe 的表面形成了50μm 的纳米晶层后，对其进行表面氮化处理，使
氮化温度从传统的500～550℃降低到了300℃左右，氮化时间从20～80h 缩短到了9h ，经新的氮化工艺（300℃，9h ）处理后，表面的晶粒尺寸基本没有长大（13nm ）。Wang 等[32]对Cr 在纯
8在石油工程建设中的应用
纳米技术应用到涂料中，可使涂料更细腻，成
膜效果更好。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等。当涂料的重要组成部分颜料颗粒达到纳米级大小并分散在涂膜中时，由于比界面很大，具有很大的结合力，对有机涂层有一定的增强作用，提高了涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性。此外，纳米颗粒还可以降低涂层在干燥过程中的残余应力，从而增强涂层的附着力。研究表明，纳米
Fe 中的扩散动力学进行了系统的研究，结果表明，
在300～380℃范围内，Cr 在纳米Fe 中的扩散系数比在α-Fe 点阵中大7～9个数量级，扩散激活能与晶界扩散激活能相当，说明在纳米α-Fe 中，沿晶扩散是主要的机制，但是其扩散系数要比晶界扩散系数大4～5个数量级。
Tong 等[33]还对经SMAT 表面自纳米化处理后Fe 和38CrMoAl 的离子氮化进行了研究，分别将Fe 和38CrMoAl 的离子氮化温度降到了300℃和400℃。Wang 等[34]发现了经SMAT 处理后的低碳钢的渗Cr 温度降到了400℃，获得了比常规渗Cr
更厚的渗层和Cr 化合物。
SiO 2颗粒在紫外光固化涂料中的应用可明显提高涂
膜的硬度和附着力，另外经纳米材料改性后的钢结构与各种钢质容器，其面漆的耐磨性、耐刮伤性和耐老化性也有很大提高。
由于石油、石化生产装置中，均存在着易燃、易爆、高温、高压等危险介质，所以在石油、石化工程中对钢结构的防火要求很高。SCB 纳米超薄膨胀型防火涂料的耐火极限达到2h 以上，该涂料粒度细、涂层薄、施工方便、装饰性好，在满足钢结构防火要求的同时，也能满足人们的高装饰性要求。这些涂料质量得到保证，能满足建筑设计防火规范所规定的有关要求。纳米复合树脂材料是一种优异的阻燃涂料，具有耐高温、粘接强度高等特点，可以大大提高阻燃性能，并且在燃烧后也具有高温强度。SCB 纳米超薄膨胀型防火涂料和纳米复合树脂材料已经用于石油、石化生产装置。
纳米技术被用于石油、石化产业的环境保护中。纳米技术对空气中20nm 以及水中200nm 污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，优先采用纳米技术。利用多孔小球组合光催化纳米材料，对甲醛、氮氧化物、一氧化碳、苯酚等其他传统技术难以降解的有机化合物和无机化合物都有很好的降解作用。
合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，Gu 等[35]研究了SMAT 低碳钢样品和原始粗晶
样品经不同温度气体渗氮处理后渗氮层厚度与渗氮时间的变化关系。与粗晶样品相比，SMAT 样品的渗氮速度显著增大，且渗氮过程受扩散控制，所形成的渗氮层厚度随时间呈抛物线型规律增长，这也与粗晶样品不一样，粗晶样品在渗氮过程开始阶段受界面反应控制，而渗氮层厚度随时间线性增长。卑多慧等[36]的研究也表明低碳钢表面纳米化后可明显提高氮原子在基体中的扩散系数和表面传递系数，降低氮势门槛，并可使常规的渗氮温度降低
50℃或缩短渗氮时间50%左右。
薛群基院士领导的小组与法国Troyes 技术大学吕坚教授（现在香港理工大学）[37]合作研究发现，用表面机械研磨（SMAT ）纳米化处理奥氏体不锈钢，表面产生了纳米晶结构的改性层。研究结果表明，在较低的温度下用脉冲直流辉光等离子技术对不锈钢进行渗氮处理，与没有纳米化处理的试样相比，纳米化处理显著地增强了不锈钢的渗氮效果，有效地降低了渗氮温度，获得了厚的渗氮层和更高的表面硬度。同时，表面纳米化预处理解决了
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使汽油、柴油充分燃烧，燃烧当中自循环，不仅助燃，而且起到了良好的净化作用。
[12]Chen X H ，Lu J ，Lu L ，et al. Tensile properties of a nanocrystalline
316L austenitic stainless steel [J].Scr Mater ，2005，（52）:1039-1044.
[13]朱琳. 旋转辊压法诱导低碳钢表面纳米化[D].南京：南京理工大
学，2004.
9发展趋势
表面自身纳米化技术自提出以来，已经取得了
许多重要的研究进展，该技术所形成的特殊结构和优良的综合性能使其具有很高的工业应用前景。目前表面纳米化的研究还处于起步阶段，要想实现这种新技术的工业应用，需要研究以下问题[38]：
（1）加工工艺、参数及材料的组织、结构和性能对纳米化的影响。
（2）表面纳米化的微观机制及形成动力学。（3）纳米结构表层的组织与性能的关系。（4）纳米结构表层的热稳定性及提高稳定性的途径，即要研究纳米层在多高温度下保温多长时间不会发生晶粒长大，从而丧失其优异性能。此外，还应了解材料表面粗糙度的问题，以及研制适用于工业应用的表面自身纳米化的设备等。参考文献：
[1]Lu K ，Lu J ，Wang T ，et al. A new method for synthesizing nanocrystalline
alloys [J].Journal of Applied Physics ，1991，69（1）:522-524. [2]Lu K ，Lu J. Surface nanocrystallization of metallic materials presentation
of the concept behind a new approach [J].Journal of Material Science &Technology ，1999，15（3）:193-197.
[3]Huang J Y ，Zhu Y T ，Jiang H ，et al. Abnormal strain hardening in
nanostructured titanium at high strain rates and large strains [J].Acta Metall ，2001，49（8）:1497-1502.
[4]Liu G ，Wang S C ，Lou X F ，et al. Low carbon steel with nanostructured
surface layer induced by high energy shot penning [J].Scripte Materialia ，2001，44（8）:1791-1795.
[5]Sagaradze V V ，Goshchitskii B N ，Arbuzov V L ，et al. Precipitation-hardening austenitic steel for fast neutron reactors [J].Metal Science and Heat Treatment ，2003，45（7）:7-8.
[6]刘刚，雍兴平，卢柯. 金属材料表面纳米化的研究现状[J].中国表
面工程，2001，52（3）:1-5.
[14]Zhao W S ，Tao N R ，Guo J Y ，et al. High density nano-scale twins
in Cu induced by dynamic plastic deformation 2005，53:745-749.
[15]张俊宝，刘玉亮，宋洪伟，等. 40Cr 钢和GCr15钢的表面纳米化
研究[EB/OL].www.baosteel.com/07technical_n/022002.pdf.
[J].Scr Mater ，
[16]王志平，冯日宝，贾鹏，等. 表面纳米化焊接接头力学性能研究[J].
焊接生产应用，2007，3（2）：35-38.
[17]韩同伟，钟蜀晖. 表面纳米化对316L 不锈钢低周疲劳性能的影
响[J].力学季刊，2007，28（1）：41-45.
[18]Roland T ，Retraint D ，Lu K ，et al. Fatigue life improvement through
surface nanostructuring of stainless steel by means of surface mechanical attrition treatment [J].Scr Mater ，2006，54:1949-1953. [19]李东，陈怀宁，刘刚，等. SS400钢对接接头表面纳米化及其对疲
劳强度的影响[J]. 焊接学报，2002，23（2）:18-23.
[20]Wang Z B ，Tao N R ，Li S ，et al. Effect of surface nanocrystallization
on friction and wear properties in low carbon steel[J].Mater Sci Eng A ，2003，352:144-152.
[21]严伟林，方亮，孙琨，等. 表面纳米化对高锰钢磨料磨损性能的影
响[J].西安交通大学学报，2007，41（5）：611-615.
[22]刘阳，吕晓仁，张荣禄，等. 超音速微粒轰击表面纳米化及其对
耐磨性的影响[J].中国表面工程，2006，19（6）：20-24.
[23]李曙. 纳米化金属材料表现出优异摩擦学性能的条件[J].中国表
面工程，2006，19（5）:13-17.
[24]李瑛，王福会. 表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响[J].
腐蚀与防护，2003，24（1）:6-10.
[25]Wang X Y ，Li D Y. Mechanical ，electrochemical and tribological
properties of nanocrystalline surface of 304stainless steel [J].Wear ，2003，255:829-836.
[26]熊天英，王吉孝，金花子，等. 0Cr18Ni9Ti 钢焊接接头表面纳米化
及接头抗H 2S 应力腐蚀性能的研究[J].材料保护，2005，38（1）:
13-17.
[27]张淑兰，陈怀宁，林泉洪，等. 工业纯钛焊接接头的表面纳米化及
其性能[J].焊接学报，2005，26（3）:73-76.
[7]Lu K ，L u J. Nanostructured surface layer on metallic materials
induced by surface mechanical attrition treatment[J].Mater Sci Eng ，2004，38（7）：375-377.
[8]刘刚，周蕾. 工程金属材料的表面纳米化技术（一）[J].纳米科技，
2006，3（1）:51-56.
[9]Sauer T ，Yorke J A ，Grotepass M. Embedology [J].J Statistical Physics ，
1991，65:579-561.
[10]Lu K ，Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials
induced by surface mechanical attrition treatment [J ].Materials Science and Engineering A ，2004，38（7）：375-377.
[11]Liu G ，Wang S C ，Lou X F ，et al. Low carbon steel with nanostructured
surface layer induced by high energy shot peening [J].Scr Mater ，[28]Raja K S ，Namjoshi S A ，Misra M. Improved corrosion resistance of
Ni-22Cr-13Mo-4W alloy by surface nanocrystallization[J]. Mater Lett ，2005，59:561-570.
[29]佟伟平. 纯Fe 和38CrMoAl 的表面纳米化及其氮化行为研究[D].
沈阳:中国科学院金属研究所，2003.
[30]刘刚，周蕾. 工程金属材料的表面纳米化技术（二）[J].纳米科技，
2006，3（2）:51-56.
[31]Tong W P ，Tao N R ，Wang Z B ，et al. Nitriding iron at lower
temperatures[J].Science ，2003，299:680-686.
[32]Wang Z B ，Tao N R. Diffusion of chromium in nanocrystalline iron
produced by means of SMAT [J].Acta Mater ，2003，51:4312-
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储罐倒装法施工中风载对安全性的影响
陈科旭1，陈次昌1，张
平2，张涛3，杨建强2
0引言
储罐的施工方法主要有正装法和倒装法两种。
在早期的储罐安装中，正装法虽得到广泛应用，但因其高空作业量大，安全性和施工效率低等缺点，因而阻碍了其快速发展。与正装法相比，倒装法具有低空作业、操作方便和安全性高等突出的优点[1]。随着储罐向大型化发展，研发大型储罐的倒装施工工艺，已成为一种必然趋势。新疆油气资源丰富，同时又是海外入华油气管道的必经之地，因此，在此建设大型储罐工程已成为国家战略石油储备计划的重要组成部分。但是由于新疆地区气候环境特殊，春冬季易出现高达12级、瞬时最大风速超过
（CFD ）方法对10万m 3大型储罐的风载荷进行了40m/s的大风，这给大型储罐工程建设带来挑战。
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[33]Tong Weiping ，Tao Nairong ，Wang Zhenbo ，et al. Nitriding iron and
38CrMoAl steel with a nanostructured surface layer[J].中国科学院研究生院学报，2005，22（2）:224-230.
为的影响[J].材料热处理学报，2002，23（1）:16-19.
[34]Wang Z B ，Lu J ，Lu K. Chromizing behaviors of a low carbon steel
processed by means of surface mechanical attration treatment[J].Acta Mater ，2005，53:2175-2081.
[35]Gu J F ，Bei D H ，Pan J S ，et al. Improved nitrogen transport surface
nanocrystallized low -carbon steels during gaseous nitridation [J].Mater Lett ，2002，55:336-340.
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
（1. 西南石油大学机电工程学院，四川成都
3. 西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）
610500；2. 新疆石油工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依834000；
摘要：新疆地区气候环境特殊，春冬季易出现瞬时最大风速超过40m/s的大风，这给大型储罐倒
装法施工带来挑战。文章采用计算流体动力学（CFD ）技术对施工中风对储罐产生的作用力进行了数值模拟，并通过对液压提升装置结构强度的有限元数值计算，得到了该装置各部件的应力和位移随风速变化的关系。结果表明，储罐迎风面外壁在约60°范围内受正压，其他部分受负压，罐内壁均为负压，但与外部风压相比较小，储罐受到向罐心挤压的作用；由于受罐壁重力分量和横向风载的作用，活塞杆对缸体内导向套产生了挤压作用，由此导致导向套部件的应力值较大，因此施工过程应重点保证液压缸导向套部件的安全工作。
关键词：大型储罐；倒装法施工；液压提升；风载；有限元分析中图分类号：TE972.1
文献标识码：A
文章编号：1001－2206（2010）03－0016－05
目前国内外对储罐的抗风设计和对安装完成的储罐风载分析等都有不同程度的研究[2-3]，文献[2]中通过采用大量简化条件和经验数据推出了储罐风载分布的理论计算公式。Portela G 等对圆柱薄壳结构进行了一系列风洞试验及数值分析[4-5]。但目前国内基本还没有采用计算流体动力学（CFD ）及有限元方法对大型储罐倒装法施工过程中液压提升装置结构强度进行风载分析。由于大型储罐倒装法施工工艺特殊，因而通过对大风环境下储罐倒装施工中罐内外流场的研究，进而对倒装法施工中风载对安全性的影响进行评价显得尤为重要。本文采用计算流体动力学
[37]薛群基，吕坚. 表面机械研磨纳米化对AISI 321不锈钢等离子渗
氮结构与性能的影响[J].Acta Materialia ，2006，54：5599-5605.
[38]刘刚，雍兴平，卢柯. 金属材料表面纳米化的研究现状[J].中国表
面工程，2001，（3）：1-5.
———————————————————————作者简介：刘程工作。
红（1964-），女，辽宁铁岭人，工程师，
1987年毕业于辽阳石油化工专科学校，现从事海洋石油工
PETROLEUM ENGINEERING CONSTRUCTION
Bi －Monthly
Established in 1975ISSN 1001－2206CODEN SGJIE9
4348BM
Tel ／Fax 8622－66310255
Vol．36No．3Serial No．217June 2010Sponsor:China National Petroleum Corporation （CNPC ）
Publisher ／Editor:Research Inst．of Petroleum Eng．Technology Address:40Jintang Highway ，Tanggu ，Tianjin 300451，P．R．ChinaDistributor:China International Book Trading Corporation
P．O．Box399，Beijing 100044, P．R．China CONTENTS ＆ABSTRACTS
·OVERVIEW ·
（1）Progress in Research and Application of Pipeline 3LPE Anticorrosion Coating Technology
ZHANG Qi-bin （CNPC Research Institute of Engineering Technology, Tianjin 300451, China ）, LIU Jin-xia, HELIAN Jian-feng, et al.
Abstract:The newest progress in research and application of 3LPE anticorrosion coating and field joint with matching heat shrinkable tapes is presented in this paper including the investigation on 3LPE anticorro -sion coating problems, technical requirements of the new version of national standard, low temperature coating technique, powder spraying technique, anticorrosion technique of heat bending pipes and technical improve -ment of heat shrinkable tapes.
Key words:pipeline; 3LPE anticorrosion coating; code and standard; polyethylene; heat shrinkable tape; progress
（6）System Structure and Its Component Functions of Digital Pipeline
JIANG Yi-min （East China Pipeline Design and Research Institute, Xuzhou 221008, China ）
Abstract:Pipeline digitization is an inevitable trend of pipeline engineering and operational management. Associated with practical needs, this paper introduces in detail the system hierarchy structure, data base cate -gories and selection, data sheets establishment and various applied software, features of MIS system, categories and functions of GIS system.
Key words:pipeline; digitization; data base; MIS system; GIS system
（11）Research Status Quo of Surface Nanocrystallization of Metallic Materials
LIU Hong （Bohai Engineering Division of Oilfield Construction Engineering Co., CNOOC Energy Tech -nology and Services, Tianjin 300452, China ）
Abstract:Metal surface nanocrystallization is a new technology being developed in recent years and has a wide development space. In industry, most of failures of machine parts come from their surface, so it is im -portant to explore new surface-strengthening technology in order to improve their durability. The methods of metal surface nanocrystallization and their effects on mechanical properties, fatigue, resistance of corrosion, wear resistance, anticorrosion, thermal stability and chemical heat treatment of metal materials are introduced. Moreover, the applications and development trend of the surface nanocrystallization technology are also dis -cussed.
Key words:surface nanocrystallization ；metal materials ；mechanical properties ；research status quo ；
comparison
·RESEARCH &DISCUSSION ·
（16）Effect of Wind Load on Oil Tank Safety in Tank Inverted Lifting Construction
CHEN Ke-xu （College of Electro-mechanics, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China ）, CHEN Ci-chang, ZHANG Ping, et al.
Abstract:In Xinjiang region, gales with instantaneous wind velocity over 40m/soften appear in winter and spring which bring challenges to inverted lifting construction of large tanks. The inverted lifting method for the construction of large tanks has been noticed for its convenient operation, high efficiency and safety in oil tank construction. This paper analyzes the wind load on the oil tank using the CFD method. By analyzing the structural strength of hydraulic lifting device using the finite element method, we get the variation relations of stress distribution and deformation of the various components in the lifting device with the wind speed in the key positions. The results show that the pressures on the external wall are positive in the area within approxi -mate 60°but negative in other areas, the pressures on the internal wall are all negative and less than the ex -ternal pressures, causing whole tank walls to undertake a centripetal pressure; under the actions of tank wall weight component and transverse wind load, piston rod exerts a pressure on guide sleeve of cylinder, causing bigger stresses in the guide sleeve. Therefore, to ensure the safety of the guide sleeve of hydraulic cylinder is very important.
Key words:large storage tank; inverted construction method; hydraulic lifting; wind load; finite element analysis
（21）Pipeline Leakage Detection in Gas Pressure Test Stage Based on Method of Differential Equation
Boundary Identification
TIAN Yuan （Oil &Natural Gas Engineering School, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China ）, YANG Fan, ZHOU Hua-ying
Abstract:A nonlinear partial differential equation group is set up to describe the operation of pipeline network based on continuity equation, momentum equation and state equation, which is reduced to a linear equation of heat conduction equation by linear method. A linear partial differential equation model is developed to describe the single-leakage in the gas pipeline network during the gas testing stage for the first time, the analytic solution of which is deduced by Laplace integral transform. Then the mathematic expression deter -mining the position, intensity and attenuation coefficient of leakages is deduced after two additional conditions being decided. Based on that, the theorem on the existence and uniqueness of the position and attenuation co -efficient of leakages is proved with principle of contraction mapping, and the stability estimate is given. At last, according to the mathematical expression, a computer program is developed by structuring the numerical calculation format, and then some examples are calculated. The calculation results show that the theoretic values fit the real values well, which can satisfy the leakage detection requirements in pressure test stage of the gas pipeline network.
Key words:long -distance pipeline; pressure test; leakage detection; leakage model; Laplace integral transform; contraction mapping
（25）Effect of Snaked Pipelaying on Lateral Buckling of Submarine Pipeline
LIU Yu-xiao （State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology ，Dalian 116023），LI Xin, ZHOU Jing
Abstract:The snaked pipelaying method is an effective way to control lateral buckling of pipeline, in