ES2292015T3

ES2292015T3 - Procedimiento y sistema para revestir in situ las duperficies interiores de tuberias de proceso prefabricadas.sp.

Info

Publication number: ES2292015T3
Application number: ES05014868T
Authority: ES
Inventors: William John Boardman; Andrew William Tudhope; Raul Donate Mercado
Original assignee: Sub One Technology Inc
Current assignee: Sub One Technology Inc
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2008-03-01
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: EP1619265A1; PL1619265T3; JP2008506840A; WO2006019565A2; PT1619265E; ATE374264T1; WO2006019565B1; CA2573485C; DE602005002593T2; US7300684B2; CA2573485A1; WO2006019565A3; DE602005002593D1; JP5043657B2; US20060011468A1; EP1619265B1

Abstract

Procedimiento para el revestimiento de las superficies interiores de una pieza de trabajo de conducción, comprendiendo este procedimiento las fases siguientes: - Fijar unos ánodos (22, 24) por las aberturas de la referida pieza de trabajo de conducción (10), manteniendo al mismo tiempo el aislamiento eléctrico de los mencionados ánodos con respecto a la referida pieza de trabajo; las mencionadas aberturas comprenden por lo menos una entrada así como por lo menos una salida; - Conectar un sistema de polarización (20, 47) de tal modo, que la referida pieza de trabajo de conducción (10) pueda funcionar como un cátodo; - Acoplar una fuente de vacío (30, 32) a cada una de las referidas salidas de la mencionada pieza de trabajo (10); - Acoplar una fuente de gas (12) a cada una de las referidas entradas de la mencionada pieza de trabajo (10) para introducir un gas que comprende un material de revestimiento.

Description

Procedimiento y sistema para revestir in situ las superficies interiores de tuberías de proceso prefabricadas.

Campo de aplicación

La presente invención se refiere, de forma general, a los sistemas de deposición por vapor químico, perfeccionados con plasma y, más concretamente, se refiere al revestimiento de los sistemas de tuberías in situ.

Estado de la técnica

El ensamblaje de distintos componentes de un sistema de tuberías afecta muchas veces de forma adversa a las propiedades del material empleado para la tubería. Por ejemplo, la soldadura de los tubos de acero inoxidable de alta pureza de tipo 316L, empleados para suministrar el gas de proceso para los equipos de fabricación de semiconductores, puede modificar las propiedades del acero inoxidable. Esta modificación se produce debido a los efectos de calentamiento y de las nubes de vapor, de tal manera que al ser la tubería del gas llenada del gas corrosivo (por ejemplo, de SiCl_{2}H_{2}), es normalmente la zona afectada por el calor (zona soldada) la que más probablemente puede acusar un defecto por corrosión. Esto ha de ser aplicado también para la tubería de escape, que forman el recorrido del gas desde las bombas hacia los lavadores de gases.

Se han realizado muchos esfuerzos para perfeccionar la resistencia a la corrosión de las aleaciones especiales de metal -como, por ejemplo, de acero inoxidable- por fijar de forma exacta unos niveles químicos (por ejemplo, del 16 al 18% de cromo en el acero inoxidable del tipo 316L) y por bajar los niveles de impurezas (por ejemplo, menos del 0,03% de azufre y de carbono en el acero inoxidable del tipo 316L), que permanecen al término de la fusión y del afino. Esto requiere, sin embargo, unos especiales procedimientos de fabricación del acero como, por ejemplo, la descarburización de oxígeno al vacío (VOD), la fusión de inducción al vacío (VIM) y la refusión de acero al vacío (VAR), los que representan unos significativos costos adicionales. En un acero de baja impureza existe un problema adicional por el hecho de que pueden estar afectadas de forma negativa la posibilidad de mecanización, la dureza así como otras relevantes consideraciones más. Con frecuencia tiene que ser efectuado un proceso de mecanización posterior -como, por ejemplo, el bruñido y el electro-pulimentado- con el fin de poder cumplir con los requisitos de dureza y de la rugosidad de superficie, especificados por las organizaciones, en especial por la Organización Internacional de Equipos y Materiales de Semiconductores (SEMI - Semiconductor Equipment and Materials International). Una solución de estos problemas consiste en recubrir un material básico, de rango inferior, con un material de revestimiento de alta calidad, el cual tiene las deseadas propiedades mecánicas, eléctricas u ópticas (como, por ejemplo, una elevada dureza y la resistencia a la corrosión). Por regla general, estas clases de propiedades se encuentran en los revestimientos de metal, de cerámica o de material del tipo de diamante.

Otras aleaciones especiales caras -como, por ejemplo, las aleaciones "Hastelloy" e "Inconel" (ambas son Marcas Registradas de la Firma Huntington Alloys Corporation)- son empleadas normalmente para las tuberías de escape, pero no solamente en la industria de los semiconductores, sino también en las industrias de procesamientos químicos en general. Estas aleaciones tienen una elevada resistencia, tanto a las altas temperaturas como a la corrosión. Sin embargo, un material de base más barato solamente puede ser empleado si un apropiado revestimiento de superficie es aplicado sobre la superficie interior, que ha de estar expuesta al ambiente corrosivo.

Un problema fundamental en el empleo de metales de alta calidad o de revestimientos de metal para aumentar la resistencia a la corrosión consiste en el hecho de que el ensamblaje de los componentes de metal de alta pureza comprende muchas veces la soldadura de varias partes componentes. Tal como ya anteriormente mencionado, el calor que está asociado con el proceso de soldadura, puede variar la química del acero o del revestimiento. Como consecuencia de las diferencias en las presiones del vapor de los distintos componentes, algunos de los materiales se evaporizarán y vuelven a depositarse corriente abajo en la superficie. La variación en la química puede anular los esfuerzos realizados en la fabricación del acero para que éste sea resistente a la corrosión, y esta variación se ha presentado como la fuente más importante para los defectos por corrosión, que originan problemas de partículas y de contaminación y que finalmente pueden producir averías en el sistema así como problemas, tanto de salud como de seguridad, a causa de unas fugas.

Los procedimientos de revestimiento del estado de la técnica comprenden la deposición química por vapor (CVD), la deposición física por vapor (PVD), la nebulización con plasma, el recubrimiento eléctrico y el llamado sol-gel. De estos procedimientos, la deposición química por vapor y la deposición física por vapor proporcionan las películas de la más alta calidad en relación con la pureza, la adhesión, la homogeneidad así como con otras propiedades más. Ambas técnicas requieren, sin embargo, el empleo de una cámara especial de vacío, lo cual hace difícil revestir unos componentes ya completamente ensamblados. Al tratarse de tuberías o de conductores para el transporte de materiales corrosivos, tiene que estar revestida la superficie interior que se encuentra en contacto con el material corrosivo. Para las técnicas de unas presiones muy bajas -como, por ejemplo, la deposición física por vapor, en la que la presión está por debajo o muy cerca de la región del flujo molecular- el revestimiento de las superficies interiores está limitado solamente a los tubos de un gran diámetro y de una corta longitud (de un aspecto proporcionalmente pequeño). De una manera similar, las técnicas de una deposición química por vapor están limitadas a aquellas aplicaciones que, debido a la necesidad de aportar el calor para la reacción química, pueden dañar los sustratos que son sensibles al calor. La deposición química por vapor, la que está perfeccionada con plasma (PECVD) - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) puede ser aplicada para reducir la temperatura, que es necesaria para la reacción, pero entonces surgen ciertas dificultades para mantener el plasma de manera uniforme por el interior del tubo y en prevenir el agotamiento de la fuente del gas, dado que el mismo pasa por el tubo hacia abajo.

La técnica de la deposición por inmersión de plasma e implantación de iones (PIIID - Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition) se ha mostrado como muy útil para el revestimiento de las superficies exteriores de unas conformaciones más complejas. La deposición PIIID es llevada a efecto por aplicar sobre la pieza de trabajo un potencial negativo, que conducirá los iones positivos hacia la misma al estar conformada la envoltura del plasma. Existen también unas mejoras, que pueden ser efectuadas para fijar las propiedades bajo una película como, por ejemplo, la adhesión y la densidad por película a través de un bombardeo de la pieza de trabajo con los iones.

Han sido descritos unos procedimientos para el revestimiento de la superficie interior de tubos, según los cuales la fuente del material, que ha de ser aplicado, es introducida en el tubo, y este material es luego aplicado por chisporroteo o por arco eléctrico sobre el tubo. Por ejemplo, la Patente Núm. 5.026.466 de los Estados Unidos, concedida a Wesemeyer y otros, describe un procedimiento para insertar un cátodo en un tubo y para aplicar el material catódico mediante arco eléctrico sobre la cara interior del tubo. La Patente Núm. 4.407.712 de los Estados Unidos, concedida a Henshaw y otros, describe un cátodo hueco con una fuente de metal de evaporación a altas temperaturas, la cual es introducida en un tubo, y con un arco catódico que quita el material de la fuente del cátodo hueco para así revestir la cara interior del tubo. Esta clase de disposición tiene varios inconvenientes -aparte de estar limitado a los tubos de diámetros grandes solamente (debido a que en el tubo, que debe ser revestido, se han de introducir el cátodo hueco, con la correspondiente pantalla protectora de calor, así como unos tubos para el enfriamiento)- como son la necesidad de unas complicadas formas de disposición para el movimiento del ánodo y del cátodo hueco a través del tubo así como la generación de unas macro-partículas por el arco catódico.

Los conocidos tipos de procedimiento tienen la desventaja de tener que ser llevados a efecto en un lugar remoto y dentro de una cámara de vacío especial. Esto impide la posibilidad de recubrir las secciones soldadas de un tramo largo de una tubería de gas corrosivo o de una tubería de escape, una vez que la soldadura haya sido finalizada. La Patente Núm. 4.714.589 de los Estados Unidos, concedida a Auwerda y otros, describe el revestimiento de la cara interior de un tubo mediante la deposición de una mezcla de gas, la cual está activada por plasma, pero este procedimiento está limitado a unos tubos y revestimientos eléctricamente aislantes, y el mismo implica un complicado sistema para desplazar una fuente de microondas a lo largo de la parte exterior del tubo. Es buscada una solución menos complicada.

Resumen de la invención

La presente invención está definida en las reivindicaciones 1) y 18), respectivamente. Unas formas de realización especiales de la presente invención están indicadas en las reivindicaciones secundarias.

Un procedimiento, conforme a la presente invención, permite que el revestimiento o recubrimiento de las superficies interiores de una tubería o de un tubo ("pieza de trabajo") sea efectuado en el campo (in situ) por emplearse la propia pieza de trabajo como cámara de deposición. Previo a la aplicación del material del revestimiento, la pieza de trabajo puede estar soldada -o ensamblada de otro modo (como, por ejemplo, por añadirse tuberías o tubos)- con las otras partes componentes de un sistema mayor de tubos, dentro del cual ha de funcionar la pieza de trabajo. La expresión "en el campo" está definida aquí como el lugar, que está alejado del lugar de fabricación de la pieza de trabajo a revestir y el cual está cerca del ensamblaje de esta pieza de trabajo o de otras partes componentes de un sistema de tuberías.

El procedimiento comprende la introducción de una fuente de gas, procedente de un subsistema de suministro de gas, que está unido con un primer ánodo por la entrada del completo sistema de tuberías. El procedimiento comprende, asimismo, la conexión de un subsistema de bombeo a un segundo ánodo por el extremo de salida del sistema de tuberías soldadas así como la conexión de un sistema de derivación de tensión, de tal manera que la pieza de trabajo esté polarizada en negativo y los ánodos estén puestos a tierra, estando éstos últimos separados de la tubería conductora mediante unos distanciadores aislantes. El flujo del gas y la velocidad del bombeo son regulados de tal modo, que la presión dentro de la pieza de trabajo pueda proporcionar un cátodo hueco en la pieza de trabajo después de aplicarse una polarización de tensión. La presión es de tal magnitud, que el recorrido medio libre de los electrones sea ligeramente inferior al diámetro del tubo, lo cual hace que los electrones puedan oscilar a través del tubo y produzcan una colisión ionizante múltiple así como un plasma más intenso. Esto facilita una mejora en relación con los intentos de la deposición química por vapor, perfeccionada con plasma, según el estado de la técnica, en los cuales el plasma es generado exteriormente de la pieza de trabajo, lo que produce una pérdida en ionización al pasar el gas por el tubo, de tal manera que una menor deposición de la película tenga lugar en dirección hacia la salida de la pieza de trabajo. En comparación, la presente invención consigue un plasma más homogéneamente ionizado por toda la longitud de la pieza de trabajo proporcionando, por consiguiente, una deposición más uniforme.

Los detectores ópticos y unas sondas de tipo Langmuir están previstos en las conexiones del ánodo, por la entrada del gas y en tos extremos de la bomba. Estos detectores son empleados para controlar la intensidad del plasma, de tal modo que la información con respecto al nivel de intensidad del plasma del cátodo hueco sea transmitida, como retroacción, hacia un sistema de control.

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El procedimiento permite que el revestimiento de las superficies interiores de tuberías o tubos pueda ser efectuado en el mismo campo o en un punto de servicio de revestimiento, de una manera mucho más fácil así como a un costo mucho más reducido, en comparación con el revestimiento de forma remota de unas secciones más pequeñas dentro de una cámara de deposición por vacío. Además, este procedimiento puede ser llevado a efecto sin la necesidad de introducir unos electrodos de fuente del metal en la pieza de trabajo o sin la necesidad de unas complicadas formas de disposición para el desplazamiento del tubo o del cátodo. Según una preferida forma de realización es así, que el procedimiento es llevado a efecto por emplearse la propia pieza de trabajo como cámara de deposición de tipo PECVD (deposición química por vapor, perfeccionada con plasma). Previo al procedimiento del revestimiento, la pieza de trabajo ha de ser soldada y ensamblada con las restantes partes componentes del previsto sistema de tuberías, en estos trabajos puede ser que las partes componentes restantes también tengan que ser revestidas o que el proceso del ensamblaje exija un calentamiento (por ejemplo, la soldadura) de la pieza de trabajo.

Como principio, puede ser aplicado cualquier revestimiento de metal, de cerámica o de carbono de tipo similar al diamante (DLC), que tenga las deseadas propiedades de dureza y de resistencia a la corrosión (por ejemplo, de TiN, de CrN, etc.). No obstante, para unos revestimientos aplicados en el campo es empleado un gas no tóxico. Según una preferida forma de realización, como fuente de gas es usado un precursor de carbono de tipo similar al diamante (DLC) como es, por ejemplo, el metano, el acetileno o el tolueno. Se ha demostrado que el carbono de tipo similar al diamante (DLC) proporciona un revestimiento duro, resistente a la corrosión y con un bajo índice de fricción. Las propiedades de esta película pueden ser ajustadas a las necesidades por ser reguladas, dentro de la película, las proporciones de ligamento e hibridización de sp3 (diamante), de sp2 (grafito) y de sp1 (lineal). También el contenido en hidrógeno puede afectar las propiedades de la película. Por regla general, la más elevada proporción de sp3 (más parecido a un diamante) es conseguida por el metano, pero esto produce, asimismo, una más reducida velocidad de deposición -en comparación con unas más elevadas moléculas del carbono- y también un más elevado esfuerzo de compresión, que limita el espesor de la película a aproximadamente 5.000 \ring{A}. La adición de ciertos adulterantes (como, por ejemplo, el silicio u óxido de silicio) a la matriz del DLC mejorará la estabilidad térmica y puede reducir el esfuerzo de compresión. Un precursor de base orgánica -como, por ejemplo, el hexemetildisiloxano (C_{6}H_{18}Si_{2}O)- puede ser mezclado con el precursor o con los precursores de hidrocarburo para introducir estos adulterantes.

Por consiguiente, las propiedades de la película pueden ser ajustadas a las necesidades por la selección del gas precursor o bien pueden ser depositadas unas películas de capas. Por ejemplo, si para un proceso particular (de, por ejemplo, unas soldaduras muy rugosas) es necesario tener un revestimiento depositado con mucho espesor, el proceso arriba descrito puede ser modificado por la deposición de una fina capa sobre la base de metano, seguida de la aplicación de una mayor velocidad de deposición, de unos gases precursores de menor esfuerzo -como, por ejemplo, de tolueno- o de un bombardeo de iones de mayor energía para incrementar así la adhesión así como para reducir el esfuerzo. Puede ser optimada para algunos procesos la ponderación entre las deseadas propiedades mecánicas, eléctricas u ópticas y la velocidad de deposición así como entre el esfuerzo para unos gases precursores e hibridizaciones de ligamento dados.

Una ventaja de la presente invención consiste en el hecho de que los anteriormente mencionados beneficios de un bombardeo de iones del procedimiento tipo PIIIC pueden ser aprovechados para perfeccionar la adhesión y la densidad de la película. Según la preferida forma de realización, esto es llevado a efecto por aplicarse -con respecto al ánodo, que está puesto a tierra- un potencial de corriente continua con pulsos negativos sobre la pieza de trabajo. Como quiera que el revestimiento de tipo DLC representa un cuerpo aislante, unos pulsos cortos (de 1 a 20 microsegundos) son aplicados para prevenir la constitución excesiva de una carga positiva sobre el revestimiento. Esta carga queda compensada al colapsar la envoltura del plasma durante el ciclo de descenso. La pieza de trabajo o la superficie del revestimiento son bombardeadas por unos iones de energía positiva, producidos por el cátodo hueco dentro de la pieza de trabajo. La energía de los iones puede ser controlada por la magnitud de la tensión aplicada así como por la presión (una presión más elevada produce más colisiones, lo cual redunda en menor energía para una tensión dada).

Otra ventaja de la presente invención consiste en el hecho de que un proceso de fases múltiples puede ser empleado para ajustar a las necesidades de calidad de la película depositada sobre la superficie interior de la pieza de trabajo soldada. La superficie de la pieza de trabajo también puede ser limpiada previamente por la introducción de un gas de chisporroteo -como, por ejemplo, de argón- durante la primera fase del procedimiento, seguido de un bombeo descendente hasta una presión de 0,133 Pa (1 x 10^{-3} Torr) o, de forma preferente, de 0,0133 Pa (1 x 10^{-4} Torr). Los agentes contaminantes en la superficie interior de la pieza de trabajo son eliminados por chisporroteo al ser aplicados los pulsos negativos de la corriente continua. A continuación, puede ser realizada una segunda fase, empleando la implantación del carbono para formar en el acero la capa de una sub-superficie de carbono. Esta capa mejora la adhesión del carbono de tipo similar a diamante DLC. Esto es efectuado por incrementarse la magnitud del potencial hasta más de 5 KV. En esta fase ha de tenerse cuidado con los tubos de unos diámetros pequeños, de tal manera que el tamaño de la envoltura del plasma no se haga mayor que el radio del tubo. La fórmula para el radio más pequeño de un cilindro, para el cual la envoltura no solapa, es como sigue:

d = \sqrt{\frac{4\varepsilon V}{en}}

donde V representa la magnitud de -la tensión, mientras que n es la densidad del plasma.

Al término de esta fase de implantación, los pasos de una deposición de tipo DLC son efectuados aplicando los arriba mencionados precursores de metano, acetileno o tolueno. En esta fase del proceso, la tensión de pulsos de corriente continua es bajada para proporcionar una deposición de película, en lugar de una implantación (por ejemplo, 100 V - 10 kV). Durante estos pasos del revestimiento, el argón también es mezclado con los precursores que contienen el carbono. Según otra forma de realización de la presente invención, resulta que para controlar el chisporroteo en relación con la velocidad de deposición para producir, por consiguiente, un revestimiento más homogéneo del tubo hacia abajo, el material del revestimiento es chisporroteado de forma continua de la parte de entrada del tubo hacia fuera, en la que el material chisporroteado es arrastrado por la velocidad del flujo hacia el extremo posterior del tubo. La homogeneidad o uniformidad también es controlada por el ciclo de trabajo de los pulsos de corriente continua, de tal manera que cuando el pulso esté ausente, se permite que la fuente de gas se pueda regenerar y fluya del tubo hacia abajo. La persona familiarizada con este ramo técnico comprenderá que la uniformidad también puede ser controlada a través de una selección en la velocidad de flujo del gas y en la velocidad de bombeo.

Breve descripción de los planos

La Figura 1 muestra el esquema funcional de un dispositivo de revestimiento in situ según una forma de realización de la presente invención.

La Figura 2 indica el esquema funcional de una segunda forma de realización del dispositivo de revestimiento in situ, conforme a la presente invención.

La Figura 3 muestra un diagrama de flujo de las fases para implementar la presente invención.

Descripción detallada

Haciendo referencia a la Figura 1, en la misma está indicada una tubería de conducción -o pieza de trabajo- 10 que se encuentra unida con un sistema, que comprende un subsistema de suministro de gas 12 así como un subsistema de control de proceso 14. La pieza de trabajo está indicada aquí como una sola pieza; no obstante, la misma también se puede componer de un conjunto de tuberías o tubos. Este conjunto ha de tener concluida todas las fases de ensamblaje y de soldadura, como asimismo debe haber estado sometido a una comprobación por fugas, previo al proceso de revestimiento descrito más abajo. Un gas no tóxico -que es fácilmente disponible y que contiene el carbono como, por ejemplo, el metano o el acetileno- es aportado por un primer depósito de suministro de gas 16. Este gas es empleado para formar, por la cara interior de la pieza de trabajo, un revestimiento de carbono de tipo similar al diamante (DLC). El argón (u otro gas para chisporroteo) es aportado por un segundo depósito de suministro de gas 18 con el fin de permitir una limpieza previa de la superficie del tubo con plasma así como la mezcla entre el argón y el gas con contenido en carbono.

Una fuente de energía de corriente continua de pulsos 20 es empleada para aplicar un potencial negativo sobre la pieza de trabajo 10. Este potencial es usado (a) para producir un plasma entre un cátodo y un ánodo, que está puesto a tierra; (b) para conducir un gas reactivo ionizado hacia las superficies, que han de ser revestidas; (c) para permitir un bombardeo de la película con iones para así mejorar las propiedades de la película como, por ejemplo, los niveles de densidad y de resistencia; y (d) para permitir controlar la uniformidad de la película por regular el ciclo de trabajo con el fin de permitir la recuperación del gas de la fuente durante la parte de "desconexión" del ciclo. En este caso, la pieza de trabajo funciona como cátodo, y por los extremos opuestos de la pieza de trabajo están previstos unos ánodos, 22 y 24, que están puestos a tierra. Un aislador de entrada 26 separa el ánodo de entrada 22 de la pieza de trabajo, mientras que un aislador de salida 28 aísla la pieza de trabajo eléctricamente del ánodo 24 por el extremo de salida, el cual está puesto a tierra.

Una turbobomba 30 y una bomba de vacío 32 transportan el gas desde la parte interior de la pieza de trabajo 10 hacia el extremo de salida de la misma. Un controlador de presión 34 recibe la información de una sonda óptica y de una sonda de tipo Langmuir, que están situadas de tal manera que la sonda óptica se encuentra ópticamente en alineación con el plasma, mientras que la sonda de Langmuir pueda entrar en contacto con el plasma. Las dos sondas miden la intensidad del plasma y generan una información acerca del nivel de intensidad. Esta información es empleada por el controlador para determinar el ajuste apropiado de un elemento de flujo regulable 40 que puede ser, por ejemplo, una válvula. Este ajuste debe ser efectuado de tal modo, que la presión dentro de la pieza de trabajo 10 pueda establecer la condición en la que el recorrido medio libre de los electrones sea ligeramente inferior al diámetro interior de la pieza de trabajo, lo cual origina la oscilación de los electrones así como unas incrementadas colisiones de ionización por el efecto del cátodo hueco. Por consiguiente, dentro de la pieza de trabajo se produce un plasma de mayor intensidad. Teniendo en cuenta que se incrementa el recorrido medio libre de los electrones al bajar la presión, es necesario reducir la presión conforme se aumente el diámetro del tubo. Por ejemplo, una tubería de gas con un diámetro de una cuarta de pulgada (6,35 milímetros) producirá un plasma de cátodo hueco a una presión de aproximadamente 26,6 Pa (200 m Torr), mientras que un conducto de evacuación por bombeo, con un diámetro de cuatro pulgadas (101,6 milímetros), podría generar un plasma a una presión de aproximadamente 1,6 Pa (12 m Torr). Se pretende que estos sean unos valores aproximados para indicar la tendencia general de una presión inferior con un diámetro mayor, sin embargo, la gama de presiones puede variar de forma significativa de estos valores obteniéndose, no obstante, todavía un plasma de cátodo hueco.

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El grado de ionización o la intensidad del plasma son importantes para que sea efectiva la técnica PIIID, habida cuenta de que es solamente el gas ionizado que es acelerado a través de la envoltura del plasma dentro de la pieza de trabajo. El efecto del cátodo hueco proporciona un plasma con una mayor intensidad que la que de otra manera podría ser conseguida en los plasmas de corriente continua o de radiofrecuencia RF. Este aumento en la intensidad está disponible sin las complicaciones de otros medios para la generación de unos plasmas intensos como, por ejemplo, los imanes o las fuentes de plasma por microondas; medios éstos que serían de una muy difícil implementación para unas superficies interiores, en especial para unas aplicaciones en el campo. Este procedimiento también elimina la necesidad de un calentamiento separado de la pieza de trabajo 10. La sonda óptica y la sonda de Langmuir están dispuestas en las conexiones de extremo del ánodo para controlar si el intenso cátodo hueco está funcionando de manera apropiada.

Está indicado aquí un control de software de ordenador 42, que está en comunicación con la fuente de energía pulsada de corriente continua 20 y con el controlador de presión 34. Además, este control de software de ordenador está en condiciones de generar y de transmitir las señales de control -a través de un cable de interfase 44- hacia el subsistema de suministro de gas 12 con el fin de coordinar las operaciones.

En la Figura 2 está representada otra forma de realización de la presente invención. En este caso, el sistema ha sido modificado para operar con una energía de radiofrecuencia, y la pieza de trabajo 10 se encuentra ahora alojada dentro de una capa aislante 46, con la pantalla de radiofrecuencia 48. En el sistema de la Figura 2 son empleadas las mismas referencias de la Figura 1 para unas partes componentes que sean idénticas entre si. La fuente de energía pulsada de la Figura 1 está sustituida por una fuente de energía de radiofrecuencia 47, y la configuración del ánodo ha de ser modificada de tal manera, que la zona del ánodo sea mayor que la del cátodo. Además, tiene que ser añadido un capacitador de bloqueo (dentro de la red de adaptación) para permitir que una inducida tensión negativa pueda ser aplicada sobre el cátodo. Esta tensión es determinada por la fórmula V_{p}/V_{g} = (A_{g}/A_{p})q, en la que el subíndice de p representa el electrodo de energía (la pieza de trabajo 10), mientras que el subíndice de g representa los ánodos, 22 y 24, puestos a tierra, y q puede variar entre 1,25 y 2,5. Como alternativa, un pulso de corriente continua podría ser sobrepuesto a la energía de radiofrecuencia, eliminándose así la necesidad de la inducida tensión negativa para el cátodo.

Ahora se describe, con referencia a las Figuras 1 y 3, una forma de realización del procedimiento. En el paso 50, la pieza de trabajo 10 es ensamblada con las otras partes componentes de un sistema de tuberías, de tal modo que la pieza de trabajo no tenga que ser calentada después de finalizar el proceso del revestimiento interior. Por consiguiente, todas las fases de soldadura, relacionadas con la pieza de trabajo, ya están terminadas para poder aplicar un material de revestimiento en la cara interior de la pieza de trabajo. Tal como mencionado anteriormente, si bien la pieza de trabajo está indicada aquí como una unidad de un tubo, la misma también podría constituir un conjunto de tubos o de partes de ellos. Además, puede haber un número de recorridos a través de la pieza de trabajo, en lugar de que esta pieza de trabajo constituya -como aquí- una unidad sencilla, con una sola entrada y una sola salida.

En el paso 52 tiene lugar la limpieza previa. Esta limpieza previa puede consistir en la introducción de un gas de chisporroteo -como, por ejemplo, de argón- desde el primer depósito de suministro de gas 16. La limpieza previa puede ser iniciada al término de un bombeo descendente a 0,133 Pa (1 x 10^{-3} Torr) o, de forma preferente, a 0,0133 Pa (1 x 10^{-4} Torr). Los agentes contaminantes en la superficie interior de la pieza de trabajo son eliminados mediante chisporroteo al ser aplicados unos pulsos negativos de corriente continua desde la fuente de energía 20.

En algunas aplicaciones puede ser empleado un paso adicional 54 para la implantación del carbono. La implantación del carbono constituye una capa de sub-superficie de carbono en el material de la pieza de trabajo, el cual puede ser de acero inoxidable. Esta capa mejora la adhesión del carbono de tipo similar a diamante o de otros materiales. La implantación del carbono es llevada a efecto a una mayor magnitud del potencial que la magnitud aplicada en las otras fases del proceso del revestimiento. El potencial apropiado es un potencial que sobrepasa de 5 kV. En esta fase ha de tenerse mucho cuidado con los tubos de diámetros más pequeños para que el tamaño de la envoltura del plasma no sea mayor que el radio de la pieza de trabajo.

Después del paso opcional de implantación 54, en el paso 56 es introducido por lo menos un gas precursor en la pieza de trabajo 10. Los gases precursores aceptables comprenden el metano, el acetileno o el tolueno. En este paso del proceso, la tensión pulsada de corriente continua es bajada con el fin de proporcionar la deposición de una película fina, en lugar de una implantación. La aplicación de la tensión pulsada de corriente continua está representada en la Figura 3 por el paso 58. Durante la fase del revestimiento, el argón puede ser mezclado -tal como indicado en el paso 60- con los gases precursores con contenido en carbono.

En el paso 62, los parámetros del revestimiento son ajustados de forma dinámica durante el proceso del revestimiento. Las sondas proporcionan una información, que puede ser usada por el control de software de ordenador 42 y por el controlador de proceso 34 para mantener varios parámetros dentro de sus gamas de tolerancias. Por consiguiente, los factores que determinan la presión dentro de la pieza de trabajo, pueden ser regulados en función de las necesidades o bien, en el caso de necesidad, pueden ser ajustados la magnitud y el ciclo de trabajo de los potenciales de pulsación.

Claims

1. Procedimiento para el revestimiento de las superficies interiores de una pieza de trabajo de conducción, comprendiendo este procedimiento las fases siguientes:

-: Fijar unos ánodos (22, 24) por las aberturas de la referida pieza de trabajo de conducción (10), manteniendo al mismo tiempo el aislamiento eléctrico de los mencionados ánodos con respecto a la referida pieza de trabajo; las mencionadas aberturas comprenden por lo menos una entrada así como por lo menos una salida;

-: Conectar un sistema de polarización (20, 47) de tal modo, que la referida pieza de trabajo de conducción (10) pueda funcionar como un cátodo;

-: Acoplar una fuente de vacío (30, 32) a cada una de las referidas salidas de la mencionada pieza de trabajo (10);

-: Acoplar una fuente de gas (12) a cada una de las referidas entradas de la mencionada pieza de trabajo (10) para introducir un gas que comprende un material de revestimiento.

2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual el acoplamiento de la referida fuente de vacío (30, 32) comprende poner -mediante bombeo- la parte interior de la referida pieza de trabajo de conducción (10) a una presión más reducida antes de introducirse el gas, de tal manera que en la mencionada parte interior se pueda establecer una presión estable, y en este procedimiento el referido sistema de polarización (20, 47) está configurado para aplicar un potencial de tensión sobre la mencionada pieza de trabajo (10) y sobre los referidos ánodos (22, 24), de tal manera que dentro de la mencionada parte interior pueda ser generado un plasma.

3. Procedimiento conforme a la reivindicación 2) el cual comprende, además, la regulación de la referida fuente de gas (12) y de la mencionada fuente de vacío (30, 32) de tal modo, que la presión dentro de la referida parte interior pueda permanecer relacionada con un diámetro interior de la mencionada pieza de trabajo (10) con el fin de mantener una condición en la que la intensidad del plasma dentro de la referida parte interior pueda ser regulada a través de unas variaciones en el mencionado sistema de polarización (20, 47), estableciendo la referida condición el efecto de un cátodo hueco.

4. Procedimiento conforme a la reivindicación 3) el cual comprende, además, controlar la mencionada condición por el empleo de unos detectores ópticos y de tipo Langmuir para generar una información de retroacción para un sistema de control, que inicia la introducción del referido material de revestimiento en las mencionadas superficies interiores.

5. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual la conexión del referido sistema de polarización (20) comprende la aplicación de una tensión negativa de pulsos de corriente continua, y esto con un ciclo de trabajo que es seleccionado de tal manera que:

-: Al estar la referida tensión conectada, una tensión negativa es aplicada sobre la mencionada pieza de trabajo (10), de tal modo que los iones positivos de la fuente de gas dentro de un plasma de cátodo hueco -el cual es producido en la parte interior de la referida pieza de trabajo de conducción (10)- puedan ser atraídos a la mencionada superficie interior y puedan reaccionar químicamente para revestir las referidas superficies interiores; así como

-: Al estar la referida tensión desconectada, los mencionados iones positivos de la fuente de gas son regenerados suficientemente dentro de la mencionada parte interior para así proporcionar una uniformidad en el revestimiento de las referidas superficies interiores.

6. Procedimiento conforme a la reivindicación 5) en el cual el referido ciclo de trabajo es seleccionado, además, para permitir una disipación de la carga a lo largo de las mencionadas superficies interiores como consecuencia del revestimiento de las referidas superficies interiores, y en este procedimiento el mencionado material del revestimiento es un material aislante.

7. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual el acoplamiento de la referida fuente de gas (12) comprende la aportación de un gas de fuente de hidrocarburo al tener el mencionado material del revestimiento un carbono al estilo de diamante.

8. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual el acoplamiento de la referida fuente de gas (12) comprende la aportación de un gas de metano, de acetileno o de tolueno.

9. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) el cual comprende, además, la limpieza previa de las referidas superficies interiores por el empleo de un gas, que tiene unos átomos de chisporroteo, y por aplicar un potencial negativo sobre la mencionada pieza de trabajo (10) para eliminar los agentes contaminantes mediante chisporroteo de las referidas superficies interiores.

10. Procedimiento conforme a la reivindicación 9) en el cual el referido gas, empleado para la mencionada limpieza previa, es un gas de argón o es una mezcla de argón e hidrocarburo.

11. Procedimiento conforme a la reivindicación 10) en el cual el referido gas es también introducido durante el revestimiento de las mencionadas superficies interiores para así proporcionar un re-chisporroteo del referido revestimiento, con lo cual queda mejorada la uniformidad del mencionado revestimiento por toda la longitud de las referidas superficies interiores.

12. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) el cual comprende, además, la realización de una capa preliminar de implantación de carbono por aplicarse un potencial negativo sobre la referida pieza de trabajo de conducción (10) y por introducirse un gas de hidrocarburo, con lo cual queda mejorada la adhesión al mencionado material del revestimiento de carbono al estilo de diamante.

13. Procedimiento conforme a la reivindicación 12) en el cual la conexión del referido sistema de polarización (20) comprende la aplicación de un potencial de pulsos de corriente continua para establecer la energía de un bombardeo de iones; como asimismo comprende este procedimiento el control de las propiedades del mencionado revestimiento de carbono al estilo de diamante mediante una variación en la magnitud del referido potencial de pulsos de corriente continua.

14. Procedimiento conforme a la reivindicación 13) en el cual el control de las referidas propiedades comprende, además, la introducción -de forma simultánea o bien de manera sucesiva- de gases de una fuente con distintos niveles del contenido en carbono.

15. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) el cual comprende, además, el ensamblaje de la referida pieza de trabajo de conducción (10) previo al mencionado acoplamiento de la referida fuente de gas (12), y el mencionado ensamblaje comprende unir mediante soldadura una multitud de partes componentes entre si.

16. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual el referido sistema de polarización (27) es una fuente de tensión de radiofrecuencia (RF), con un potencial negativo incluido sobre la mencionada pieza de trabajo de conducción (10).

17. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) en el cual el referido sistema de polarización es una fuente de radiofrecuencia, con una tensión negativa de pulsos de corriente continua superpuesta a la mencionada pieza de trabajo de conducción (10).

18. Sistema para el revestimiento de las superficies interiores de una pieza de trabajo de conducción, el cual comprende:

- Unos ánodos (22, 24), acoplados a las aberturas de la referida pieza de trabajo (10), estando los mismos eléctricamente aislados de esta pieza de trabajo (10);

- Un sistema de polarización (20, 47), conectado a la referida pieza de trabajo (10), y este sistema de polarización está configurado para aplicar un potencial que puede ser distinguido del potencial que es aplicado sobre los referidos ánodos (22, 24) siendo la mencionada pieza de trabajo (10), por consiguiente, un cátodo;

- Una fuente de vacío (30, 32), conectada a por lo menos una de las mencionadas aberturas; la referida fuente de vacío está configurada para evacuar el gas de la mencionada pieza de trabajo (10); así como

- Una fuente de gas (12), conectada a por lo menos una de las referidas aberturas y distinta de por lo menos una abertura mencionada, a la cual está conectada la referida fuente de vacío (30, 32), estando esta fuente de gas (12) configurada para introducir un gas que contiene un material de revestimiento.

19. Sistema conforme a la reivindicación 18) en el cual el mencionado sistema de polarización (20, 47) está configurado para aplicar un potencial de tensión de tal manera, que dentro de la referida pieza de trabajo (10) pueda ser generado un plasma.

20. Sistema conforme a la reivindicación 18) el cual comprende, además, un sistema de control (34) que está previsto para regular la mencionada fuente de vacío (30, 32) y la referida fuente de gas (12) de tal modo, que por este sistema de control pueda ser determinada la presión en la parte interior de la mencionada pieza de trabajo (10), y este sistema de control (34) está configurado para establecer una condición en la que el recorrido medio libre de los electrones dentro de la referida pieza de trabajo (10) se encuentra en relación con una medida de sección transversal dentro de la mencionada pieza de trabajo (10) para así introducir una oscilación en los electrones, de tal manera que se pueda producir el efecto de un cátodo hueco y la intensidad del plasma pueda ser regulada a través de unas variaciones en el referido sistema de polarización (20, 47).

21. Sistema conforme a la reivindicación 20) el cual comprende, además, unos detectores que están posicionados para controlar la mencionada intensidad del plasma así como para generar una información de retroacción para indicar la referida intensidad del plasma.

22. Sistema conforme a la reivindicación 18) en el cual el mencionado sistema de polarización (20) está previsto para aplicar una tensión negativa de pulsos de corriente continua sobre la referida pieza de trabajo (10), y esta tensión negativa de pulsos de corriente continua tiene un ciclo de trabajo con unos periodos de "conexión" y "desconexión", de tal modo que:

- Durante los mencionados periodos de "conexión" sea aplicada sobre la referida pieza de trabajo (10) un potencial negativo, por lo que los iones positivos de la fuente tendrán -dentro del plasma del cátodo hueco- una carga que es opuesta a la carga de la mencionada pieza de trabajo (10); mientras que

- Durante los referidos periodos de "desconexión", la referida pieza de trabajo (10) se encuentra libre del mencionado potencial negativo, por lo que queda posibilitada una regeneración de los iones dentro de esta pieza de trabajo (10).

23. Sistema conforme a la reivindicación 22) en el cual la fuente de gas (12) está prevista para suministrar un hidrocarburo que comprende el referido material del revestimiento, el cual es un carbono de tipo similar a diamante.

24. Sistema conforme a la reivindicación 18) en el cual el mencionado sistema de polarización 47) comprende una fuente de tensión de radiofrecuencia así como un medio para aplicar sobre la referida pieza de trabajo (10) un potencial negativo.

25. Sistema conforme a la reivindicación 18) en el cual el mencionado sistema de polarización comprende una fuente de tensión de radiofrecuencia así como un medio para sobreponer a la referida pieza de trabajo (10) una tensión negativa de pulsos de corriente continua.