油管離子滲氮方法及防腐蝕耐磨性能分析*

傅樂榮，牛 君，左治江

(1.江漢大學機電與建筑工程學院，湖北武漢 430056;2大安恒銳采油設(shè)備有限公司，吉林大安 131322)

油管離子滲氮方法及防腐蝕耐磨性能分析*

傅樂榮1，牛 君2，左治江1

(1.江漢大學機電與建筑工程學院，湖北武漢 430056;2大安恒銳采油設(shè)備有限公司，吉林大安 131322)

磨損和腐蝕是造成油管失效的主要原因，通過對油管內(nèi)壁進行離子滲氮，以提高油管的使用壽命。介紹了離子滲氮油管的特點，著重介紹了利用大型油管離子滲氮專用設(shè)備對油管內(nèi)壁進行離子滲氮的基本原理和工藝過程。將經(jīng)離子滲氮后的油管在萬能磨損機上進行磨損試驗，測定其耐磨性能;在鹽霧腐蝕試驗箱中進行中性鹽霧腐蝕試驗，以測定離子滲氮油管的耐腐蝕性能。通過對滲氮油管與未經(jīng)離子滲氮油管的試驗數(shù)據(jù)進行比較分析后發(fā)現(xiàn)，離子滲氮油管不僅耐磨性得到了很大的改善，而且其耐腐蝕能力也明顯提高。離子滲氮油管在油井中使用結(jié)果表明，其使用壽命比其它類型的耐磨油管提高了3倍，延長了油井的免修期，并且離子滲氮油管的性能和價格均優(yōu)于其它類型油管。

油管 離子滲氮 耐磨性 耐腐蝕性能

利用大型臥式油管離子滲氮專用設(shè)備，對油管進行離子滲氮處理，其內(nèi)壁表層獲得了較為均勻的滲層，表面硬度達到550 Hv左右，實際使用壽命提高了3倍以上［1］。作為提高油管壽命的新工藝，與其它方法相比，離子滲氮的突出優(yōu)點是同時提高了油管內(nèi)壁的耐磨性和耐腐蝕性能，并且滲氮層不剝落，使用安全可靠，離子滲氮油管在降低生產(chǎn)成本、延長油井免修期方面具有明顯的優(yōu)勢，其性價比遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的所有油管。

1 油管離子滲氮方法

離子滲氮油管采用J55鋼管，油管長度為9 600 mm，內(nèi)徑62.7 mm，壁厚5.51 mm。離子滲氮設(shè)備為自行研制的超大型臥式油管離子滲氮專用爐(見圖1)，裝爐量為64根油管。由于油管形狀特殊，屬于超細長形金屬管，其長徑比(油管長度與內(nèi)徑之比)超過150。如果采用普通離子滲氮方法(即爐體接電源正極，油管接電源負極)，則由于存在“無限長管電場屏蔽”現(xiàn)象，油管內(nèi)會有無電場或弱電場，不能提供轟擊工件的氮離子和氫離子，因而達不到使油管內(nèi)壁滲氮的目的。采用普通離子滲氮方法對細長金屬管內(nèi)壁進行離子滲氮，其長徑比大于15，其滲氮效果明顯下降［2］。解決這個問題的關(guān)鍵就是要保證油管內(nèi)存在足夠高且均勻的電場。為此，在設(shè)計離子滲氮設(shè)備時，采用了“獨立陽極”結(jié)構(gòu)，即在每根被處理油管中增設(shè)貫穿其中的金屬棒作為陽極，從而使油管內(nèi)壁能進行有效的離子滲氮。油管離子滲氮裝置示意圖見圖2。

圖1 油管離子滲氮專用爐Fig.1 The special oven of plasma nitriding oil pipes

離子滲氮主要工藝參數(shù):爐壓為120 Pa左右;溫度為550～570℃;保溫時間為6 h;滲氮氣源為氨氣。

圖2 油管離子滲氮示意圖Fig.2 The sketch of plasma nitriding for oil pipes

2 材料成分和試樣制作方法

2.1 材料成分

J55油管材料的化學成分見表1。該鋼具有良好的綜合力學性能。合金中的元素Si和Mn起到強化基體的作用，少量的Al起到細化晶粒的作用。根據(jù)美國石油學會標準(API SPEC 5CT)規(guī)定，J55油管的拉伸強度大于等于517 MPa，屈服強度為379～552 MPa。

2.2 試樣制作方法

油管長9 600 mm，為了檢測內(nèi)壁離子滲氮效果，沿油管軸向等距離截取6個小圓環(huán)，再用線切割方法加工成矩形試樣，并依次編號為1，2，3，4，5和6。

表1 J55油管材料化學成分Table 1 Chemical components of J55 oil pipe w，%

3 耐磨性分析

磨損是造成油管失效的重要因素之一。油管內(nèi)壁的磨損主要來自于原油的沖刷和抽油桿的摩擦，其中后者對油管磨損影響更大。一般來說，油井不可能與海平面完全垂直，存在一定的偏角，而有時為了便于集中管理，有許多平臺井，抽油機在一個平臺上，而油井走向各不相同(斜井)，因而油管在油井中也同樣會有這樣一個偏角。抽油機在工作中，抽油桿就不可避免地與油管內(nèi)壁發(fā)生相對摩擦，在報廢的油管中能直觀地看到偏磨的痕跡(見圖3)。

圖3 報廢油管內(nèi)壁上的偏磨痕Fig.3 Camber wear trails on the inner surface of invalidated oil pipes

對經(jīng)離子滲氮后的試樣進行磨損試驗，并與未經(jīng)離子滲氮的試樣進行對比，分析離子滲氮對提高油管耐磨性的效果。選用MMW-1A型萬能磨損機，分別將1～6號試樣和未經(jīng)離子滲氮處理的對比試樣進行磨損試驗。試驗條件為:摩擦副材料為GCr15(硬度～60HRC)，載荷200 N，轉(zhuǎn)速為120 r/min，試驗溫度為 25℃，試驗時間為30 min。

3.1 磨損量比較

7個試樣在磨損試驗前進行清洗烘干后用分析天平稱質(zhì)量，磨損試驗后再對試樣進行清洗烘干并稱質(zhì)量，得到磨損質(zhì)量損失數(shù)據(jù)(見表2)。因為7個試樣尺寸完全相同，因而可以根據(jù)磨損質(zhì)量損失作為評價各試樣耐磨性的參考數(shù)據(jù)。

表2 磨損試驗試樣質(zhì)量損失數(shù)據(jù)Table 2 Data of mass loss of specimens in corrosion tests

從實驗數(shù)據(jù)可知，經(jīng)離子滲氮后的試樣，其耐磨性明顯高于未滲氮的試樣。根據(jù)油管材料化學成分可知，離子滲氮層組織以γ＇(Fe4N)相為主，并含少量的 γ＇+ε(Fe2～3N)相，由于滲層致密，硬度較高，因此具有良好的耐麿性 。從表2還可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)離子滲氮的6個試樣中，位于油管兩端的1號、2號試樣和5號、6號試樣，其耐麿性比位于油管中間部位的3號、4號試樣略高，這與文獻［1］中所述的油管內(nèi)壁硬度分布規(guī)律相吻合，這說明油管的耐磨性與其硬度關(guān)系密切。

3.2 摩擦系數(shù)比較

1號試樣和未處理試樣在相同條件下摩擦磨損試驗結(jié)果見圖4。從圖4可看出，滲氮試樣的摩擦系數(shù)低于未滲氮試樣的摩擦系數(shù)，同樣說明滲氮試樣抗摩擦磨損能力高于未滲氮試樣。

圖4 摩擦系數(shù)－時間－溫度曲線Fig.4 The curve of friction coefficient-time-temperature

有研究［4］表明，N離子注入金屬材料提高其耐磨性的主要原因是氮離子趨于優(yōu)先占據(jù)某些類型的點陣，尤其是集中于近表面的位錯上，從而提高了金屬材料抗摩擦磨損能力。

4 耐腐蝕性能分析

腐蝕是影響油管使用壽命的另一個重要因素。油管腐蝕的主要形式是微電池腐蝕［5］。油井中含有大量的H2S和CO2等氣體，它們和水一起成為電介質(zhì)，使油管發(fā)生電化學腐蝕。另外，國內(nèi)有不少油井，采用注入各種驅(qū)油劑的方法，用驅(qū)油劑中的化學藥劑將油液“洗”出來，無形中加大了井液對油管的腐蝕。油管經(jīng)離子滲氮后，其表面形成ε、γ＇相，組織致密，且本身電極電位比較高，因而具有好的耐腐蝕性能。

對離子滲氮試樣和未滲氮試樣進行耐腐蝕性能測試，并將試驗結(jié)果進行了比較。試驗裝置為QYW090型鹽霧腐蝕試驗箱，采用中性鹽霧試驗(NSS)，試驗條件:氯化鈉溶液質(zhì)量分數(shù)為5%，pH 為6.5 ～7.2，噴霧壓力為 67 ～180 kPa，試驗溫度為(35±1)℃，連續(xù)噴霧24 h。

4.1 產(chǎn)生銹斑時間比較

選取1號試樣、3號試樣和未滲氮試樣，試樣上不需腐蝕的部位用環(huán)氧樹脂覆蓋，使3個試樣的裸露面積基本相同，將它們同時放入鹽霧試驗箱中進行鹽霧腐蝕。2 h噴霧后每小時觀察一次試樣表面狀況。試驗中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)離子滲氮的試樣，噴霧2 h其表面已出現(xiàn)明顯腐蝕點，而經(jīng)離子滲氮的1號和3號試樣6 h才出現(xiàn)明顯的腐蝕點;未經(jīng)離子滲氮試樣8 h已出現(xiàn)大面積銹斑，1號和3號試樣出現(xiàn)和未經(jīng)離子滲氮試樣面積大致相同的銹斑時間為24 h。以上試驗結(jié)果可以證明，離子滲氮后，油管的耐腐蝕性能得到了明顯的提高。

4.2 腐蝕失重比較

將上述3個試樣分別于鹽霧試驗前后清洗烘干，用分析天平稱質(zhì)量，計算其腐蝕質(zhì)量損失，然后換算成單位面積質(zhì)量損失進行對比，評價其耐腐蝕性能的好壞。實驗結(jié)果見圖5。

圖5 腐蝕質(zhì)量損失比較Fig.5 The comparison of mass loss resulted from corrosion

可見，失重比較法和出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象時間比較法所得到的結(jié)果是相同的。

5 離子滲氮油管使用壽命實測

為了測定離子滲氮油管的實際使用壽命，在中國石油大慶油田第五采油廠選取了兩口油井(井號分別為杏13－丁和X8-31-S543)對離子滲氮油管進行試用，具體應(yīng)用結(jié)果如下:

(1)油井杏13－丁離子滲氮油管使用結(jié)果

該油井以前使用其它方法處理的耐磨油管，洗井周期約182 d，最短油井免修期為185 d，使用離子滲氮油管后，洗井周期為280 d，延長了98 d，油井免修期為400 d，提高了2.16倍，而且該油管仍能繼續(xù)使用。

(2)油井X8-31-S543離子滲氮油管使用結(jié)果

該油井最大井斜18.90°/500.00 m，抽油泵直徑為120 mm。因地層供液能力強引起流壓上升，為了降低流壓，將轉(zhuǎn)速從正常生產(chǎn)的40 r/min提高到166 r/min。離子滲氮油管在該工作條件下使用368 d后仍未失效，如按正常采油轉(zhuǎn)速40 r/min作比例計算，油管使用天數(shù)超過1500 d。

6 結(jié)論

(1)設(shè)置“獨立陽極”是保證油管內(nèi)壁實現(xiàn)離子滲氮，并獲得所需厚度且沿長軸方向均勻分布滲氮層的關(guān)鍵;

(2)和未經(jīng)離子滲氮油管相比，離子滲氮油管的耐磨性明顯提高，與鋼摩擦副配合時摩擦系數(shù)更低，因此離子滲氮油管在油井中特別在偏磨井中使用將能延長使用壽命;

(3)離子滲氮油管的耐腐蝕性能較好，離子滲氮層對電化學腐蝕具有較高的抵抗能力;

(4)離子滲氮油管的實際使用壽命比其它類型耐磨油管的使用壽命長，其性能與價格優(yōu)于其它類型的耐磨油管。

［1］L R Fu.Z J Zuo.J Niu.Research on the Feasibility of Ion Nitriding for Inside Walls of Big Length-Radius-Ratio Oil pipelines［J］.Advanced Materials Research ，2011(148-149):342-345.

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Analysis of Oil Pipe Nitriding Techniques and Corrosion＆Friction Resistance Performance

Fu Lerong1，Niu Jun2，Zuo Zhijiang1
(1.Mechanical，Electronic ＆ Architecture Engineering College of Jianghan University，Wuhan Hubei 430056;2.Daan Hengrui Oil Production Equipment Co.，Ltd.，Daan，Jilin 131322)

The wearing and corrosion are the main culprits for oil pipe failure.The service life of oil pipes can be extended by plasma nitriding of the internal wall of oil pipes.The characteristics of plasma－ nitrided oil pipes are introduced，and the plamsma nitriding mechnims and nitriding process for the external wall of oil pipes by using large special plasma nitriding equipment are described in detail.The plasma － nitrided oil pipe is tested on universal wearing machine to know its wearing resistance performance and in neutral salt gas vapor box to know its corrosion resistance performance.The analysis and comparison of the testing data of plasma－nitrided oil pipes and oil pipes show that the anti－wearing performance of plasma–nitrided oil pipes has been greatly improved and the corrosion resistance performance has been increased.The commercial application of plasma－nitrided oil pipe in the oil wells demonstrates that its service life is 3 times longer than that of other wearing－resistant oil pipes.This has extended the turnaround time of the oil well，and plasma － nitrided oil pipes are also advantageous in performance and prices over other oil pipes.

oil pipe，plasma nitriding，wearing resistance，corrosion resistance performance

TG156.8+2

A

1007－015X(2012)02－0012－04

2011－11－ 20;修改稿收到日期:2012－03－12。

傅樂榮(1955－)，男，講師，主要從事金屬材料與熱處理教學與研究工作。E－mail:fulrong55@163.com。

武漢市科技攻關(guān)項目(201010621230)。

(編輯 張向陽)