粉末噴涂技術(shù)在防腐油管上的應(yīng)用

崔 奮,楊衛(wèi)星,王國正,劉延成,張朋舉,劉洪錄,王斌林

(1.西安交通大學(xué),西安 710049;2.吐哈油田公司 機(jī)械廠,新疆 哈密 839009)

粉末噴涂技術(shù)在防腐油管上的應(yīng)用

崔 奮1,2,楊衛(wèi)星2,王國正1,2,劉延成2,張朋舉2,劉洪錄2,王斌林2

(1.西安交通大學(xué),西安 710049;2.吐哈油田公司 機(jī)械廠,新疆 哈密 839009)

通過對油井管腐蝕機(jī)理及防腐現(xiàn)狀進(jìn)行研究,分析了吐哈油田公司機(jī)械廠現(xiàn)有粉末噴涂防腐油管生產(chǎn)線存在的問題,綜合比較了目前油井管防腐技術(shù),提出了對生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)升級的方案。該生產(chǎn)線建成后,產(chǎn)品質(zhì)量有保證,安全環(huán)保有保障,降低了生產(chǎn)成本。

油管;防腐;噴涂;粉末

注水井中油管的嚴(yán)重腐蝕[1]日益引起油田和防腐界的高度重視。我國很多油田已進(jìn)入開發(fā)中后期,各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量,提高產(chǎn)液量,從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。注水井管柱腐蝕直接影響著油田的原油生產(chǎn),嚴(yán)重的管柱腐蝕在幾個(gè)月內(nèi)即造成管柱失效[2],如果防腐得當(dāng),可以挽回30%～40%的腐蝕損失,因此油管的有效防腐是油田一項(xiàng)重要的工作。

吐哈油田公司機(jī)械廠生產(chǎn)的噴涂防腐油管[3]就是油管防腐的一種形式,該產(chǎn)品以其高質(zhì)量、高品質(zhì)和高性能的特點(diǎn)備受各大油田的青睞,廣泛應(yīng)用于各類油井和注水井[4]。每年在青海油田的保底用量為1 000 t左右,在其他油田也有相當(dāng)大的用量。但是隨著年限的增加,生產(chǎn)線暴露合格率低和成本高的問題,為此,對原有防腐技術(shù)進(jìn)行升級或引進(jìn)其他防腐技術(shù),以維持現(xiàn)有產(chǎn)品市場占有量,為油田的上產(chǎn)作貢獻(xiàn)。

1 靜電粉末噴涂技術(shù)研究

靜電粉末噴涂[5]是根據(jù)傳統(tǒng)的噴涂和靜電效應(yīng)相結(jié)合的一項(xiàng)技術(shù),具有防治環(huán)境污染、效率高等特點(diǎn),并且經(jīng)濟(jì)效益較好,因而得到了廣泛的應(yīng)用并獲得了迅速的發(fā)展。

1.1 靜電粉末噴涂原理

a) 高壓靜電發(fā)生器作為電場源,利用噴粉槍的放電針產(chǎn)生尖端放電,使噴槍到被噴工件之間周圍的空氣電離形成離子區(qū)域;粉末在供粉器中與空氣流混合后,在壓縮空氣吸引下經(jīng)噴槍使其霧化,并通過空氣離子區(qū)域,使中性的粉末微粒捕集到大量的電子而變成帶負(fù)電,這時(shí)在靜電力作用下,與帶正電荷的工件相吸,這樣粉末就被吸附到工件表面上了。該過程為靜電粉末噴涂的第1階段——粉末帶電(如圖1)。

圖1 粉末帶電原理

b) 粉末材料往往是絕緣的,它所帶的電荷除緊靠工件表面部分由于接地放電中和之外,其余堆積起來的粉末就不易中和。因此,當(dāng)噴上去的粉末越多,則粉末電荷的積累也越多,負(fù)電荷的不斷增多導(dǎo)致同性相斥作用的發(fā)生。由于同性相斥力的增大,致使粉末在被噴工件上達(dá)到一定厚度之后,就不再繼續(xù)上粉。該過程為靜電粉末噴涂的第2階段——粉末吸附(如圖2)。

圖2 粉末吸附原理

圖3 粉末固化原理

1.2 影響粉末靜電噴涂的因素

1.2.1 噴涂電壓

粉末噴涂電壓對于粉末在工件上的吸附量有較大的影響,一般電壓增加,電場強(qiáng)度增加,粉末帶電量越多,沉積效率越高。粉末粒子所帶電量公式為

式中,ε0為真空介電常數(shù);εr為粉末粒子的介電常數(shù);r為粉末粒子半徑;E為作用于粉末粒子的電場強(qiáng)度。

從上式不難看出,若想提高Q,只有提高r和E。而粉末半徑不能太大,因此只能增加電場強(qiáng)度來增大粒子帶電量。但是,并不是無限增大電場強(qiáng)度(即提高靜電發(fā)生器的電壓),粉末粒子帶電量越大,沉積效率就越高。若電場強(qiáng)度過大,會(huì)產(chǎn)生反電離現(xiàn)象,而使涂層的厚度降低。電場強(qiáng)度與沉積效率的關(guān)系如圖4。

圖4 沉積效率與平均電場強(qiáng)度的關(guān)系

由圖4可以看出,電場強(qiáng)度較低時(shí),沉積效率就能達(dá)到飽和,飽和后再增加電場強(qiáng)度,沉積效率增強(qiáng)很少。根據(jù)試驗(yàn),控制靜電發(fā)生器的電壓在60～80 kV為宜,能夠得到良好的沉積效率。

1.2.2 噴涂距離

粉末噴槍與工件的距離主要影響涂層厚度,由于噴槍與工件距離的改變對涂層厚度極限值的影響特別敏感,通常增加距離,涂層厚度會(huì)減少。

根據(jù)電場強(qiáng)度和電壓可計(jì)算出合適的距離,一般噴槍與工件的距離為150～250 mm,可以得到很好的噴涂效果。

1.2.3 粉末特性

隨著當(dāng)今社會(huì)的迅猛發(fā)展,各種各樣的粉末應(yīng)運(yùn)而生,同樣的粉末配備不同的固化劑,就成為2種截然不同的粉末,它們的特性和性能各不一樣,如表1。例如,有的粉末固化時(shí)間需要30 min,而有的粉末固化時(shí)間卻只要3 min。

表1 不同固化劑的粉末特性表

從對粉末的調(diào)研來看,具有同種性能指標(biāo)的涂層,國外粉末的價(jià)格是國產(chǎn)粉末的2倍。國外粉末要求的工藝是長時(shí)間固化,而國內(nèi)粉末要求的工藝是短時(shí)間的固化和強(qiáng)冷硬化。這2種工藝是截然相反的工藝,所以選擇粉末是噴涂工藝的關(guān)鍵,要因地制宜。粉末材料不一樣,對于所需噴涂電壓、噴涂距離也是不一樣的。

基于南充市下轄景區(qū)為例，設(shè)計(jì)了旅游景區(qū)可達(dá)性模型，并依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對景區(qū)可達(dá)性進(jìn)行測算，研究大數(shù)據(jù)背景下旅游景區(qū)交通可達(dá)性對景區(qū)旅游帶來的影響。研究表明，旅游景區(qū)交通可達(dá)性對景區(qū)旅游具有正向刺激作用，而區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及景區(qū)知名度對各旅游景區(qū)以及南充市景區(qū)的整體交通網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性指數(shù)影響較大?；诖耍岢隽思涌旎A(chǔ)設(shè)施建設(shè)提升交通運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、設(shè)計(jì)合理旅游路線優(yōu)化旅游產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及推進(jìn)區(qū)域旅游合作機(jī)制建設(shè)等景區(qū)可達(dá)性優(yōu)化建議，從而促進(jìn)南充市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2.4 粉末粒子的電阻率

為使粉末粒子良好帶電,不同電阻率的粉末粒子所使用的靜電電壓是不一樣的。不同電阻率的粉末與靜電電壓值關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

由圖5可知,當(dāng)粉末電阻率在1012Ω·m時(shí),靜電電壓為40 kV就能使粉末粒子良好帶電,而粉末電阻率在108Ω·m時(shí),則要施加90 kV的靜電電壓才能得到良好的帶電效果。因此,選擇電阻率高的粉末,才能提高沉積效率。

1.3 生產(chǎn)線工藝要求

通過對生產(chǎn)線3個(gè)關(guān)鍵工序(內(nèi)除銹、外除銹和內(nèi)外噴涂)進(jìn)行調(diào)查研究,有如下要求。

a) 內(nèi)外除銹[6]的工藝要求 去除油管外壁的氧化層,露出金屬本體,同時(shí)保證除銹等級達(dá)到Sa2.5級,粗糙度達(dá)到Rz=50μm±10μm。調(diào)查結(jié)果是除銹等級和粗糙度都能夠達(dá)到工藝要求。

b) 內(nèi)外噴涂的工藝要求 用高壓靜電的方式將環(huán)氧樹脂粉末噴涂到油管內(nèi)外表面,使環(huán)氧樹脂粉末熔化并粘附到油管管體表面,同時(shí)保證涂層厚度為100～200μm。調(diào)查結(jié)果是內(nèi)涂層厚度為75～170μm,外涂層厚度為100～200μm,內(nèi)涂層未達(dá)到工藝要求。造成這一原因是:?73.025 mm(2英寸)油管內(nèi)徑為?62 mm,無法滿足噴槍與工件150～250 mm的距離。并且也無法滿足控制靜電發(fā)生器的電壓在60～80 kV,否則涂層發(fā)生電離,降低了涂層的沉積率。

2 生產(chǎn)線升級

通過對現(xiàn)有技術(shù)和現(xiàn)有問題的研究,進(jìn)一步提升工藝和裝備,選擇最合適的涂料,對原有生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)升級。

a) 引進(jìn)摩擦靜電噴涂技術(shù)進(jìn)行內(nèi)噴涂,解決了現(xiàn)有噴槍與工件的距離無法滿足150～250 mm的問題,以提高粒子的帶電量,增大油管內(nèi)表面粉末的沉積率。摩擦靜電噴涂是以創(chuàng)新的摩擦荷電技術(shù)為理論指導(dǎo),采用電陰性材料(聚乙烯、聚四氟乙烯等)作為槍體材料。當(dāng)空氣與粉末混合后進(jìn)入噴槍槍體的管道與槍管壁發(fā)生碰撞后,粉末帶上電荷,這樣粉末就被吸附到工件表面上了,直到達(dá)到一定厚度,最后進(jìn)行熔融固化。

摩擦靜電噴涂的特點(diǎn)為:①無電場空間,容易克服法拉第效應(yīng);②不受電壓控制,容易噴厚涂層;③對復(fù)雜工件有很好的效果;④可適用于慢線速的噴涂。

b) 對噴涂設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造,能適應(yīng)2種不同工藝的實(shí)施,以保證國外粉末的正常生產(chǎn)和國內(nèi)粉末的試驗(yàn),國內(nèi)粉末試驗(yàn)的成功可以大大降低生產(chǎn)成本。根據(jù)調(diào)研和分析,國內(nèi)粉末的工藝如圖6,國外粉末的工藝如圖7。

圖6 國產(chǎn)粉末噴涂工藝

圖7 國外粉末噴涂工藝

根據(jù)國產(chǎn)粉末和國外粉末的噴涂工藝特性,采取對生產(chǎn)線噴涂工序進(jìn)行改造,改造后油管進(jìn)行內(nèi)外噴涂后,馬上到達(dá)12 m的水噴淋段,3 m的固化段可以任意放置在水噴淋段的某一位置。當(dāng)生產(chǎn)線利用國外粉末時(shí),油管噴涂后馬上進(jìn)行固化保持一段時(shí)間,水噴淋關(guān)閉;當(dāng)生產(chǎn)線利用國內(nèi)粉末時(shí),油管噴涂后馬上進(jìn)行水噴淋,固化段移走。從而達(dá)到國內(nèi)粉末和國外粉末都可以在該生產(chǎn)線上生產(chǎn)。

c) 3種污染嚴(yán)重的設(shè)備都配備多級除塵系統(tǒng),以消除生產(chǎn)作業(yè)空間的粉塵污染,消除粉塵對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,改善工作環(huán)境,保護(hù)操作人員的身心健康。內(nèi)外除銹設(shè)備配套的除塵系統(tǒng)是采用二級除塵系統(tǒng),即:旋風(fēng)回收器和布袋除塵器,可以有效地減少在拋丸和噴砂過程中出現(xiàn)的銹粉和鋼粉。內(nèi)外噴涂設(shè)備配套的除塵系統(tǒng)是采用三級除塵系統(tǒng),即:濾芯過濾器、旋風(fēng)回收器和布袋除塵器,可以有效避免噴涂過程中出現(xiàn)的飛揚(yáng)粉末,并且大大提高了粉末的利用率,利用率可達(dá)到95%以上。

生產(chǎn)線建成后,可以改善工作環(huán)境,增加安全強(qiáng)度,降低環(huán)境污染;保證產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,滿足用戶需求。

3 結(jié)論

1) 對于油井管的防腐,靜電粉末噴涂技術(shù)相對于其他防腐技術(shù)有一系列的優(yōu)點(diǎn):生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、投資小、污染小。因此,靜電粉末噴涂技術(shù)被廣泛應(yīng)用在油井管的防腐上。

2) 管徑小的內(nèi)壁噴涂采用摩擦靜電技術(shù),可以有效提高粉末的沉積率,增加涂層厚度;可以避免高壓發(fā)生源和粉末著火的危險(xiǎn)。

3) 高壓靜電噴涂的噴涂電壓為60～80 kV,噴涂距離為150～250 mm,可以得到較好的沉積效率,涂層性能好。

4) 國產(chǎn)粉末的應(yīng)用可以大幅降低生產(chǎn)成本。

[1] 史春軒,趙中華,張新杰,等.注水井管柱腐蝕分析及防護(hù)措施的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2006,35(3):87-89.

[2] 孫 粲,謝發(fā)勤,田 偉,等.油管鋼的 CO2和 H2S腐蝕及防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(5):55-61.

[3] 翁永基.材料腐蝕通論[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[4] 萬仁溥.采油工程手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[5] 李誠銘.噴涂新工藝新技術(shù)及噴涂設(shè)備應(yīng)用實(shí)務(wù)全書[M].北京:中國知識(shí)出版社,2006.

[6] 周 良.噴丸、噴涂技術(shù)及裝備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

TE931.2

A

1001-3482(2010)06-0076-04

2009-11-10

崔 奮(1971-),男,河南鄧州人,高級工程師,2003年畢業(yè)于清華大學(xué)材料加工工程專業(yè),主要從事石油機(jī)械加工方面的研究和管理工作,E-mail:cuif@petrochina.com.cn。