海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403005

摘 要 以06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼、14Cr17Ni2馬氏不銹鋼、00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼作為鉆井機械設(shè)備材料，利用電弧離子鍍技術(shù)制備TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層，選取包括物理性能、耐陰極剝離性能及耐浸泡性能等作為設(shè)備耐腐蝕性能評價指標，模擬海水氣溶膠腐蝕環(huán)境，研究3種不銹鋼材料在海水浸泡、5%NaCl鹽霧腐蝕和老化腐蝕下的耐腐蝕性能。試驗結(jié)果表明：鉆井機械設(shè)備材料為00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼，并鍍TiBN/TiN涂層時，其耐腐蝕性能最突出。

關(guān)鍵詞 鉆井機械設(shè)備 耐腐蝕性能 不銹鋼 氣溶膠 鹽霧腐蝕 TiBN/TiN涂層

中圖分類號 TQ050.4+1?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0354?07

Corrosion Resistance Evaluation for Offshore Oil Drilling Machinery

ZHANG Chao

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.）

Abstract?? 06Cr18Ni11Ti austenitic stainless steel， 14Cr17Ni2 Marstenitic stainless steel， 00Cr22Ni5Mo3N duplex stainless steel were adopted in manufacturing drilling machinery， including making use of arc ion plating technology to prepare TiN， TiBN and TiBN/TiN coating， and selecting physical properties， cathodic stripping resistance and immersion resistance as the evaluation indexes of equipment corrosion resistance to investigate their corrosion resistance under seawater immersion， 5%NaCl salt spray corrosion and aging corrosion. The test results show that， the drilling machinery boasting of 00Cr22Ni5Mo3N duplex stainless steel and coated with TiBN/TiN coating has outstanding corrosion resistance.

Key words??? drilling machinery， corrosion resistance， stainless steel， aerosols， salt spray corrosion， TiBN/TiN coating

（Continued on Page 391）

作者簡介：張超（1977-），高級工程師，從事石油鉆采裝備、海洋平臺鉆井裝備設(shè)計、建造、運維、管理工作，zupr02904@

126.com。

引用本文：張超.海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價[J].化工機械，2024，51（3）：354-359;391.

石油是支撐國家發(fā)展的重要能源，在現(xiàn)代社會發(fā)展中占據(jù)重要地位。我國海洋石油豐富，但開采難度較大，石油鉆井設(shè)備是石油儲量開采中必不可少的重要裝備，對提高石油開采效率意義重大[1]。鉆井機械設(shè)備長期工作于濕熱、潮濕、海鹽氣溶膠環(huán)境之中，發(fā)生腐蝕的概率較高[2]。鉆井機械設(shè)備腐蝕不僅會對其自身性能產(chǎn)生極大影響，降低其使用壽命，還會造成嚴重的安全風險，甚至危害海洋石油鉆井平臺的安全運行。石油開采管理部門現(xiàn)已充分認識鉆井機械設(shè)備腐蝕危害，積極對其腐蝕影響因素進行分析，通過采取有效防腐蝕措施對鉆井機械設(shè)備進行保護，以降低設(shè)備腐蝕程度[3，4]。王振華等對浸泡在人工海水中不同錫含量的Ni?Sn合金涂層的抗腐蝕性能進行研究，旨在通過在金屬表面鍍合金涂層從而提高其耐腐蝕能力[5];杜琮昊和白秀琴從海洋裝備材料出發(fā)，將不銹鋼、鈦合金、鋁合金3種材料浸入不同腐蝕溶液中，通過電化學試驗等實現(xiàn)各材料抗腐蝕、抗摩擦性能的對比分析，從而完成海洋裝備耐腐蝕性的差異性分析[6]。

設(shè)備材料與涂層性能的優(yōu)劣對設(shè)備自身的耐腐蝕性能起決定性作用，鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價是分析防腐蝕措施合理性的有效手段，是設(shè)備保護方案制定的依據(jù)，對延長鉆井機械設(shè)備全壽命周期意義重大[7～9]。為此，筆者提出海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價方法，通過對浸泡于腐蝕溶液中的設(shè)備材料、涂層的抗浸泡性能等進行分析，實現(xiàn)對鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能的綜合評價，提高鉆井機械設(shè)備的使用壽命，降低腐蝕對其的影響。

1 試驗

1.1 腐蝕溶液配制與試驗材料選擇

試驗用腐蝕溶液為模擬海水，其pH值為8，模擬海水腐蝕溶液的具體成分與含量見表1。

海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能在很大程度上取決于其制造材料自身的抗腐蝕能力[10～12]，筆者將06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼、14Cr17Ni2馬氏不銹鋼、00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼作為試驗材料，通過線切割方法對各類型不銹鋼進行處理，得到尺寸為50 mm×25 mm×2 mm的試樣片，利用金相砂紙打磨其表面后，依次放入蒸餾水、乙醇、丙酮中清洗并取出，最后在干燥箱中作干燥處理。

通過電弧離子鍍技術(shù)完成3種不同涂層的制備，分別為TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層，其具體參數(shù)見表2。

1.2 試驗測試

1.2.1 氣溶膠腐蝕試驗

制作一個正方形的玻璃試驗箱，邊長500 mm左右，箱體側(cè)面打兩個圓孔（實現(xiàn)氣體的流通），直徑20 mm左右，不銹鋼試樣片放置在玻璃支架上，模擬海水腐蝕溶液用燒杯盛裝，超聲霧化器放入腐蝕液中，并通過其中一個孔與箱體外的變壓器相連[13]。通過變壓器對標準電壓進行處理，得到可實現(xiàn)超聲霧化的24 V電壓。霧化頻率、溫度、霧化量分別設(shè)置為1.5 MHz、20 ℃、120 mL/h，濕度在85%～90%之間。放入試樣片后，將箱體封閉，對各不銹鋼試樣片分別進行1、3、5、7、15 d的氣溶膠環(huán)境腐蝕試驗。

具體試驗過程為每種不銹鋼的氣溶膠腐蝕試驗需要2個試樣片、3個電阻探針，目的是完成失重分析和電阻測量值的確定、腐蝕率的計算。根據(jù)GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》完成失重分析。準備38%濃鹽酸500 mL、去離子水500 mL，兩者混合后加入20 g六次甲基四胺制得除銹混合溶液，將腐蝕后的不銹鋼試樣片放入其中，去除試樣片表面腐蝕物后置于去離子水中，干燥箱處理24 h，測量試樣片的質(zhì)量，計算試樣片的腐蝕速率X：

X=（1）

其中，W、W分別為腐蝕前后的試樣片質(zhì)量，A為表面積，t為腐蝕時間，D為試片密度。

1.2.2 電化學試驗

將不銹鋼試樣片置于模擬海水中進行電化學試驗，完成其極化曲線和交流阻抗譜的分析，其中以各個不銹鋼為工作電極，參考電極、鉑電極分別為飽和甘汞電極、輔助電極。

1.2.3 鹽霧腐蝕試驗

將涂層處理前后的00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼試樣片分別置于5%NaCl溶液（pH值介于6.5～7.2之間）中進行鹽霧試驗，試驗溫度范圍33～37 ℃，持續(xù)對試樣片進行70 d的噴霧，完成形貌特征分析。

1.2.4 附著力測試

磨砂處理00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼，使其呈現(xiàn)銀白色色澤后，將環(huán)氧底漆噴于其上，再利用電弧離子鍍技術(shù)在其表面分別完成TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層的制備。取一組試樣片作老化加速試驗，并分別測試300、700、1 400、2 300、3 500、

4 800、5 800、7 000 h老化后的附著力，并與老化試驗前的附著力測試值進行比較，分析涂層的耐腐蝕強度。

1.3 耐腐蝕性能評價

海洋石油鉆井機械設(shè)備工作在極端海洋環(huán)境中，高濃度海水及氣溶膠等均會對其產(chǎn)生損害，這就要求鉆井機械設(shè)備具有突出的耐腐蝕性能[14，15]。選取具有耐腐蝕性能的設(shè)備材料，通過涂層處理，提升鉆井機械設(shè)備的耐腐蝕性能，從而保證設(shè)備的持續(xù)、安全運行。為實現(xiàn)海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能的全面評價，以海洋石油鉆井機械設(shè)備防護要求和耐腐蝕性能影響因素作為評價依據(jù)，構(gòu)建鉆井機械耐腐蝕性能指標評價體系，從設(shè)備材料與涂層兩方面入手，通過對多種不銹鋼材料和涂層在抗浸泡性、耐鹽霧、耐陰極剝離性能等方面的對比，選擇適應(yīng)海洋石油勘探環(huán)境的鉆井機械設(shè)備防護措施。

海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價體系見表3。

2 海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能評價

本節(jié)對海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能進行評價研究，在測試過程中，嚴格控制試驗條件，包括溫度、濕度、氣壓及光線等環(huán)境因素，以及樣品制備、操作流程、測試設(shè)備等試驗過程因素，確保試驗條件的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性，避免試驗誤差和偏差，提升試驗結(jié)果與結(jié)論的可信性。

2.1 海洋石油鉆井機械設(shè)備材料的影響

選取06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼、14Cr17Ni2馬氏不銹鋼、00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼作為海洋石油鉆井機械設(shè)備材料，在模擬海水120 mL/h氣溶膠環(huán)境下，得出不同腐蝕時間下3種不銹鋼材料腐蝕速率的變化，結(jié)果如圖1所示。

腐蝕速率的變化

分析圖1可知，3種不銹鋼材料在模擬海水120 mL/h氣溶膠環(huán)境下的腐蝕速率曲線呈波動性走勢規(guī)律，在腐蝕時間小于4 d時，3種不銹鋼材料的腐蝕速率均呈增大趨勢，之后腐蝕速率不斷降低，經(jīng)過9 d的腐蝕后，其腐蝕速率波動幅度開始逐漸減弱，直至16 d后，腐蝕速率降到最低。其中，00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼的腐蝕速率始終低于其他兩種不銹鋼材料，06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼腐蝕速率居中，14Cr17Ni2馬氏不銹鋼腐蝕速率最高。腐蝕初期，由于腐蝕介質(zhì)完全覆蓋在不銹鋼表面，故其腐蝕速率不斷升高，隨著腐蝕作用的進一步發(fā)展，不銹鋼表面發(fā)生銹蝕，形成的緊密銹層起到了保護屏障作用，從而避免了腐蝕介質(zhì)直接侵蝕內(nèi)部不銹鋼，因此腐蝕速率降低。

將3種不銹鋼置于模擬海水中浸泡，通過各不銹鋼材料的腐蝕電位-時間曲線分析其耐腐蝕性能，結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，3種不銹鋼放入模擬海水進行浸泡腐蝕，其腐蝕電位隨著腐蝕時間的增長呈上下波動性變化，其中00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼的自然腐蝕電位最高，波動區(qū)間為-200～-100 mV，腐蝕電位均值為-198.2 mV;06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼的腐蝕電位在-300～-200 mV之間變化，腐蝕電位均值為-234.5 mV;14Cr17Ni2馬氏不銹鋼腐蝕電位處于-350～-400 mV之間，均值為

-371.6 mV。

結(jié)合圖1、2，選擇00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼作為海洋石油鉆井設(shè)備材料，對提高鉆井設(shè)備的耐腐蝕性能更有利。

2.2 涂層的影響

選擇耐腐蝕性能突出的00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼作為基材，通過電弧離子鍍技術(shù)完成3種不同涂層的制備，分別為TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層，各涂層處理后的00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼分別用A、B、C描述，未作涂層處理的基材用D描述。將A、B、C、D不銹鋼分別置于模擬海水中，對其作交流阻抗譜測試，通過對A、B、C、D不銹鋼的Nyquist圖進行分析，研究涂層處理前后不銹鋼的耐腐蝕性能，試驗結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，涂層處理前后各不銹鋼的交流阻抗譜均為單容抗弧，其中C的容抗弧半徑最大，其后依次為B、D、A。這說明TiBN、TiBN/TiN涂層具有提高不銹鋼基材耐腐蝕性能的效果;TiN涂層的耐腐蝕性能低于00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼基材，無法達到改善耐腐蝕性能的作用，這是由TiN涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)所致，其表現(xiàn)出的稀疏性特點使得腐蝕介質(zhì)能直接穿透柱狀晶到達不銹鋼表面，既擴大了接觸面，又提高了00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼的腐蝕風險。TiBN涂層中加入B元素，使得其結(jié)構(gòu)更密實，其中不僅有TiN晶體，還有TiB2、BN化合物，這是該涂層耐腐蝕性能優(yōu)于TiN涂層的主要原因。TiBN/TiN涂層具有緊密的復合結(jié)構(gòu)，在TiBN層、TiN層的交替作用下，使得其柱狀晶結(jié)構(gòu)被打亂，腐蝕介質(zhì)難以滲入基材中，起到了很好的隔絕基材、降低接觸概率的效果，使得00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼具有更突出的耐腐蝕性能。

在A、B、C不銹鋼表面劃叉，對有損傷的各不銹鋼作800 h中性鹽霧試驗，通過掃描電鏡（SEM）對腐蝕100、300、550、800 h后的不銹鋼形貌進行觀察，結(jié)果如圖4～6所示。

分析圖4～6可知，鍍TiN涂層的A不銹鋼的耐腐蝕性能最差，其次為鍍TiBN涂層的B不銹鋼，鍍TiBN/TiN涂層的C不銹鋼耐腐蝕性最強。B不銹鋼經(jīng)過100 h的鹽霧腐蝕，其表面開始產(chǎn)生少量白色腐蝕物，當腐蝕時間達到300 h時，白色腐蝕物呈增多發(fā)展趨勢，至550 h后，已有大量紅色腐蝕物覆蓋在B不銹鋼上，至鹽霧腐蝕試驗結(jié)束，腐蝕層厚度增加，顏色增深。A不銹鋼的腐蝕程度最嚴重，腐蝕300 h后即開始產(chǎn)生大量紅色腐蝕物，繼續(xù)進行鹽霧腐蝕，腐蝕物數(shù)量不斷增加，基本覆蓋整個不銹鋼表面。C不銹鋼在鹽霧試驗結(jié)束時也未出現(xiàn)任何腐蝕問題，損傷部位仍完好。由此可確定，C不銹鋼的TiBN/TiN涂層為陽極性涂層，腐蝕過程中能通過犧牲陽極達到保護基材00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼的目的。

對不銹鋼A、B、C分別作加速老化處理，對各不銹鋼在不同老化時間下的附著力進行對比，結(jié)果見表4。

分析表4可知，不銹鋼在老化腐蝕過程中，涂層的附著力呈不斷減小趨勢，經(jīng)過2 300 h老化后，附著力下降幅度增大，5 800 h后降幅變小。試驗結(jié)束后，A不銹鋼的附著力比老化前降低了38.80%，降幅最大，這與其形貌特征觀察結(jié)果一致;C不銹鋼的老化腐蝕損失最小，其耐腐蝕性最強;B不銹鋼老化腐蝕后附著力下降了16.71%，其耐腐蝕性介于A、C之間。

2.3 耐鹽水性測試

為了進一步對海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能進行評價，以表3構(gòu)建的性能評價體系為基礎(chǔ)，選取其中的耐鹽水性作為測試指標，將不銹鋼A、B、C、D分別置于模擬海水中，得到石油鉆井機械設(shè)備耐鹽水性測試結(jié)果（表5）。其中，“合格”表示該樣品的耐鹽水性能良好，可以正常使用;“不合格”表示該樣品的耐鹽水性能差，需要進行改進或更換。分析表5可知，隨著浸泡時間與浸泡液濃度的提升，以00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼為材料的鉆井機械設(shè)備耐鹽水性能逐漸降低。

3 結(jié)束語

為實現(xiàn)海洋石油鉆井機械設(shè)備耐腐蝕性能的評價，對多種機械設(shè)備材料的腐蝕速率與腐蝕時間的變化關(guān)系、腐蝕電位時間曲線進行分析，確定最優(yōu)耐腐蝕性能設(shè)備材料;然后，通過對鍍不同涂層的不銹鋼A、B、C與未涂層處理的不銹鋼D進行模擬海水浸泡腐蝕、鹽霧腐蝕、老化腐蝕、耐鹽水性試驗，結(jié)果表明：

a. 00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼腐蝕速率最低，自腐蝕電位最大。

b. TiBN/TiN涂層的容抗弧半徑大、自腐蝕電位高，可阻隔腐蝕介質(zhì)滲入到基材中，經(jīng)過800 h的腐蝕后材料未有形貌改變，涂層附著力的下降率小，其耐腐蝕性能最強。

c. 在以00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼為材料的鉆井機械設(shè)備上，通過電弧離子鍍技術(shù)鍍TiBN/TiN涂層，可有效提升鉆井機械設(shè)備的耐腐蝕性能。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-05-22，修回日期：2024-04-25）