雙金屬?gòu)?fù)合涂層制備工藝對(duì)耐蝕性能的影響

奚運(yùn)濤 劉 偉 劉 銳 胡東偉 張建魁

1.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院， 陜西 西安 710021;2.低滲透氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021;3.長(zhǎng)慶油田公司第十采油廠， 甘肅 慶城 745100;4.長(zhǎng)慶油田公司第五采油廠， 陜西 西安 710069

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雙金屬?gòu)?fù)合涂層制備工藝對(duì)耐蝕性能的影響

奚運(yùn)濤1,2劉 偉1,2劉 銳1,2胡東偉3張建魁4

1.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院， 陜西 西安 710021;2.低滲透氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021;3.長(zhǎng)慶油田公司第十采油廠， 甘肅 慶城 745100;4.長(zhǎng)慶油田公司第五采油廠， 陜西 西安 710069

長(zhǎng)慶某區(qū)塊下古主力產(chǎn)層的H2S和CO2含量均較高，導(dǎo)致部分產(chǎn)水氣井的生產(chǎn)管柱腐蝕穿孔嚴(yán)重，修井頻繁，嚴(yán)重影響了氣田的正常生產(chǎn)。為此提出了雙金屬?gòu)?fù)合涂層管柱防腐技術(shù)，在管柱表面形成底層1Cr13不銹鋼、面層Al合金及封孔劑的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用正交試驗(yàn)法系統(tǒng)研究了噴涂工藝對(duì)復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)、密度和耐腐蝕性能等的影響規(guī)律。采用掃描電鏡(SEM)對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，采用阿基米德排水法對(duì)涂層的密度進(jìn)行測(cè)試，采用CORTEST高溫高壓釜對(duì)涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：電弧電流和噴涂距離對(duì)涂層密度的影響顯著，隨著電弧電流的升高，涂層密度呈單調(diào)增大趨勢(shì)；隨著噴涂距離的增大，涂層密度呈先增大后減小趨勢(shì)；而電弧電壓對(duì)涂層密度的影響不顯著。在電弧電流240A，電壓32V，噴涂距離150mm條件下制備的雙金屬?gòu)?fù)合涂層組織較致密，腐蝕速率僅為0.072mm/a，耐蝕性能較N80基材提高7倍以上。

雙金屬；復(fù)合涂層；制備工藝；腐蝕

0 前言

針對(duì)同時(shí)含H2S、CO2和高礦化度水的復(fù)雜環(huán)境，管柱防腐問(wèn)題一直備受關(guān)注。國(guó)外常見(jiàn)的做法是選擇耐蝕合金管材，如超級(jí)13Cr或22Cr等不銹鋼管材，但防腐成本較高，難以在該區(qū)塊的低產(chǎn)氣井中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)部分油田常采用井內(nèi)加注緩蝕劑的防腐方法，但藥品費(fèi)用巨大，現(xiàn)場(chǎng)管理難，后期維護(hù)成本高[3]。因此，提出了雙金屬?gòu)?fù)合涂層管柱防腐技術(shù)。前期小試[4]結(jié)果表明，該技術(shù)在高腐蝕氣井中取得了一定的應(yīng)用效果。但雙金屬?gòu)?fù)合涂層的制備工藝還不完善，噴涂工藝對(duì)耐蝕性能的影響規(guī)律也有待研究。因此，本文采用正交試驗(yàn)方法系統(tǒng)研究噴涂工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)、密度和耐腐蝕性能的影響規(guī)律，為雙金屬?gòu)?fù)合涂層的進(jìn)一步完善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使該技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及涂層制備

基材試樣采用N80鋼，尺寸30mm×15mm×3mm。經(jīng)丙酮除油、噴砂粗化、超聲清洗、干燥等處理后待用。制備方法采用超音速電弧噴涂，利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化的絲材霧化，并以超音速噴向工件，增加涂層的致密性和結(jié)合強(qiáng)度[5-6]。噴涂材料采用Al合金和1Cr13不銹鋼實(shí)芯絲材，規(guī)格Φ2mm。

噴涂完畢后，采用環(huán)氧富鋅封孔劑對(duì)涂層表面進(jìn)行封孔處理，在油、套管表面形成底層1Cr13不銹鋼、面層Al合金及封孔劑的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。底層1Cr13層，厚度150～200μm；面層Al合金層，厚度200～250μm。試驗(yàn)采用3因素3水平的正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，方案見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

采用JSM6360LV型掃描電鏡(SEM)對(duì)涂層的微觀形貌進(jìn)行分析。采用FA2004N電子天平及阿基米德排水原理對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合涂層的密度進(jìn)行測(cè)試。首先分別稱(chēng)量涂層試樣的干重和浮重，然后根據(jù)阿基米德排水原理計(jì)算涂層相對(duì)密度，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

(1)

采用CORTEST高溫高壓釜對(duì)9組涂層試樣及未涂

層試樣的耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，模擬該區(qū)塊井筒工況，試驗(yàn)條件為：p總=24MPa，pCO2=2.16MPa，pH2S=0.156MPa，溫度70 ℃，流速2m/s，試驗(yàn)時(shí)間168h，試驗(yàn)水質(zhì)為GX-X井現(xiàn)場(chǎng)水樣，水質(zhì)成分見(jiàn)表2。

表1 噴涂工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表2 GX-X井采出水水質(zhì)成分

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微結(jié)構(gòu)分析

對(duì)9組不同工藝條件下制備的Al/1Cr13雙金屬?gòu)?fù)合涂層的微觀組織進(jìn)行分析，結(jié)果表明第6組的涂層孔隙最大，界面結(jié)合最差，見(jiàn)圖1；第9組的涂層組織最致密、孔隙最少，界面結(jié)合好，見(jiàn)圖2。由圖1～2可以看出，Al層無(wú)分層結(jié)構(gòu)，組織均比較致密，但第6組存在微孔隙較多，第9組基本無(wú)微孔隙存在。1Cr13層為典型的層狀結(jié)構(gòu)，層間嵌有深灰色條狀組織，主要是由于 1Cr13 發(fā)生了部分氧化的原因。層狀結(jié)構(gòu)主要是由于液態(tài)1Cr13與基體或已形成涂層的表面碰撞時(shí)易鋪展或扁平化所致[7-8]。

a)復(fù)合涂層

b)Al層

c)1 Cr 13層

d)Al/ 1 Cr 13/基體之間界面

a)復(fù)合涂層

b)Al層

c)1 Cr 13層

d)Al/1 Cr 13/基體之間界面

2.2 密度測(cè)試

涂層密度可在一定程度上反應(yīng)涂層的致密程度，密度越大，則越致密，孔隙率也越低。9組涂層的密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，第6組涂層的密度最小，為3.42，說(shuō)明比較疏松或孔隙率大，微孔隙較多；而第9組的密度最大，為5.93，說(shuō)明該組涂層的致密性好，孔隙率最低。

采用正交分析法，對(duì)同一因素、不同水平下的涂層密度取平均值作圖，可得不同因素水平對(duì)涂層密度的影響，見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯S著電弧電流的升高，涂層密度呈單調(diào)增大趨勢(shì)；隨著噴涂距離的增大，涂層密度呈先增大后減小趨勢(shì)；而電弧電壓對(duì)涂層密度的影響最小。

圖3 9組涂層密度測(cè)試結(jié)果

圖4 不同因素水平對(duì)涂層密度的影響

電弧電流決定著熱輸入量，電弧電流增大，液滴的過(guò)熱程度增加，霧化更快、更充分，液滴粒子更加細(xì)小且具有較高的動(dòng)能，沖擊到試樣表面后，扁平化程度更高，組織更加致密，密度更大。因此，電弧電流對(duì)涂層密度影響較大。噴涂距離決定著液態(tài)霧化粒子的運(yùn)動(dòng)距離，噴涂距離較小時(shí)，加速距離不夠，粒子的動(dòng)能未達(dá)到最大值就已沖擊試樣，鋪展不充分；噴涂距離較大時(shí)，加速距離過(guò)大，粒子的動(dòng)能達(dá)到最大值后又降低，因此隨著噴涂距離的增加，涂層密度影響顯著，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)[9]。而電弧電壓決定著液態(tài)霧化粒子的加速快慢，由于液態(tài)粒子體積小，不需要很高的電弧電壓就可以完成加速；如果電弧電壓過(guò)大，加速過(guò)快，液態(tài)粒子還未充分霧化就已脫離熱源，會(huì)導(dǎo)致粒子體積過(guò)大，速度下降快，扁平化程度下降，密度變小[10]，但影響不顯著。

2.3 耐蝕性能評(píng)價(jià)

基材及9組涂層試樣的耐腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可知，9組涂層試樣的腐蝕速率均明顯小于基材，表明9組涂層均具有一定的耐蝕能力。其中，第9組涂層的腐蝕速率最低，耐蝕能力最優(yōu)，為0.072 mm/a。而第6組涂層的腐蝕速率最高，耐腐蝕性能較差，為0.334 mm/a。

分析可知，腐蝕速率測(cè)試結(jié)果與顯微分析及密度測(cè)試的結(jié)果相吻合，規(guī)律基本一致。涂層越致密，微孔隙越少，越能有效地隔離腐蝕介質(zhì)，保護(hù)基體[11-15]。

圖5 9組涂層試樣及基材的腐蝕速率

3 結(jié)論

1)雙金屬?gòu)?fù)合涂層采用底層1 Cr 13不銹鋼、面層Al合金及封孔劑的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，組織致密、孔隙少，界面結(jié)合良好。涂層密度在一定程度上反應(yīng)了涂層的致密程度。隨著電弧電流的升高，涂層密度呈單調(diào)增大趨勢(shì)；隨著噴涂距離的增大，涂層密度呈先增大后減小趨勢(shì)；而電弧電壓對(duì)涂層密度的影響不顯著。

2)在第9組工藝參數(shù)即電弧電流240 A、電壓32 V、噴涂距離150 mm條件下，制備的雙金屬?gòu)?fù)合涂層組織較致密，密度大，耐蝕性能最優(yōu)，腐蝕速率僅為0.072 mm/a。

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2015-07-24

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2008E-1306)

奚運(yùn)濤(1978-)，男，山東巨野人，高級(jí)工程師，博士，主要從事腐蝕與防護(hù)及表面工程技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.014