表面工程与石油工业

引言 在石油工业中，钻井机械、石油管道、泵、阀、运输设备、储罐、大型反应器等大量的失效问题都是由于腐蚀、磨损造成的。最终后果是不仅造成了管道、储罐、钻杆、深井泵等设施的破坏和原油的泄漏等直接经济损失，而且还会引起火灾、爆炸等灾难性的事故，以至环境污染，停工停产等严重后果，极大地影响了安全生产和经济效益。 表面工程技术能够提高材料的表面性能，如耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。表面工程主要通过施加各种表面覆盖层技术形成涂层及用机械、物理、化学的方法进行表面改性。在石油工业中，大多数设备处在高温、腐蚀等恶劣环境下，表面工程显得尤为重要，其中热喷涂技术、涂料涂装技术、化学镀以及激光表面处理技术已广泛应用于石油机械、输油管道以及海洋石油装备中，不仅可以用于修复零件，还可以延长使用寿命，改善综合性能，产生了巨大的经济效益。 据中原油田的一份报告分析，腐蚀每年给中原油田造成的直接经济损失就有4亿元，其中油管、抽油杆、泵等井下设施的更换每年约2.5亿，地面管线、联合站等地面设施的维修费用约1.5亿元。利用表面工程的技术手段对各种石油设备表面进行处理，改善材料的表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命，同时可以节约材料，创造出巨大的社会效益。目前，防腐蚀涂料及其施工技术、热喷涂技术、激光表面改性技术以及其他表面工程技术近年来已在油田企业获得广泛应用。1 石油机械中的应用 石油机械主要涉及钻井、采油工程中所用的钻机、油泵、各种套管油管、抽油杆、钻头以及各种油田特车的机构零件。这些设备大多处在工矿条件恶劣的石油工程现场，许多金属零部件承受载荷并伴有腐蚀、磨损等，致使它们过早地发生失效破坏而缩短起使用寿命，停产检修或者更换新部件既增加了材料成本有影响油田生产，带来多方面的损失。下面就不同的表面处理技术应用做一些概述。1.1 热喷涂技术及应用 热喷涂表面技术是采用气体、液体燃料或者电弧、等离子弧、激光等作为热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，是喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理和化学的变化，形成附着牢固的表面层的加工方法。热喷涂技术所具有的特点有工艺灵活、施工方便、适应性强、热喷涂厚度和工件受热程度可控、生产率高，它可以喷涂几乎所有的固体材料，而且喷涂种类多。1.1.1 油田地面机械的应用 石油钻机等设备中的一些大功率的曲轴、油田使用的各种重型车辆、拖拉机、柴油机的曲轴等磨损后均可以采用热喷涂技术进行修复。如可采用电弧喷涂3Cr13涂层或等离子喷涂陶瓷涂层来修复，这样既可显著降低成本、又能延长设备的寿命，尤其是可有效地解决进口设备的修复问题，还可以采用热喷涂方法恢复加工超差零部件或强化磨损件表层。 另外在石油机械中的阀座和轴类零件的磨损较严重，由于超音速火焰喷涂系统同时具有氧气助燃和空气助燃双重功能，产生涂层质量好，在制备的Co基WC涂层残余应力低、涂层厚度可达3mm，甚至更厚。所以涂层与基体的结合性能好，在承受重载的磨损件尺寸恢复中有较好的应用。1.1.2 井下作业工具 油田使用的各类泵的柱塞、缸套、叶轮等零件均可以采用多种喷涂方法进行修复。如可采用超音速火焰喷涂WC-Co或等离子喷涂Al2O3等来修复和强化，也可采用电弧喷涂1Cr13钢丝进行修复。应用超音速火焰喷涂或塞杆WC涂层后，耐磨性大大提高，使用寿命提高数倍。 抽油泵柱塞,目前国内对油井抽油泵柱塞加工的一般方法有：表面镀铬、化学镀镍-磷和表面喷焊镍基合金。热喷涂涂层作为一种新的处理方法已被用制造抽油泵柱塞，采用热喷涂在柱赛表面喷涂87% Al2O3+13%TiO2的陶瓷材料形成陶瓷涂层。用这种方法制造的抽油泵柱赛在含砂井中的运行时间可达两个月多，其寿命为传统工艺所制造柱塞两倍。 抽油杆采用热喷涂方法可以大大提高其使用寿命。20世纪70年代美国ICO公司研制成功金属与塑料复合喷涂抽油杆,它是在新的钢质抽油杆或经过探伤合格的旧钢质抽油杆表面喷涂一层316不锈钢粉末，然后再喷涂一层环氧树脂涂层。这种不锈钢涂层具有良好的耐蚀性能，但是它是多孔的，不能单独使用。需要与其它粉末复合才能达到合适的效果。另外，还可以利用高速电弧喷涂。2000年北京刚石表面技术公司委托装甲兵工程学院试制了复合涂层防腐抽油杆，生产工艺为喷丸+高速电弧喷铝+喷环氧树脂基漆，形成的结构致密，结合强度高，孔隙率低，耐磨，抗冲击等性能。 钻头的制备，可以利用爆炸喷涂WC-17%Co涂层。这样的钻头具有抗磨损、抗腐蚀和抗冲蚀的能力，也可以采用等离子喷涂工艺在人造金刚石钻头表面制备复合合金涂层。1.2 涂料涂层技术 涂料涂装技术在石油机械中的最主要的应用就是防腐保护，主要是对一些石油采储过程中的油管、套管以及钻杆进行保护。石油管材内涂层采用喷涂方法，将专用涂料喷涂到预处理后的管材内表面上，经烘烤固化后形成一层均匀、光滑、致密的保护层，起到了保护作用，避免了钢管基体与腐蚀介质的直接接触。涂料中的成莫物质可消除内应力，附着力强，另外通过机械喷砂，基材表面会形成具有一定密度和深度的锚纹，涂料和基材之间产生一种较强的机械结合力，能牢固地附在基体上，改性的环氧树脂-酚醛涂层，具有较好的耐磨性、耐高温性和耐酸碱性及同管材具有相同的抗弯、抗拉、抗扭性能，能有效地阻止腐蚀介质对管体的破坏。同时内涂层具有良好的防垢防蜡作用。 钻杆内壁涂敷防腐涂料是最有效的方法，并也使钻杆内壁表面摩阻减小，泥浆泵压减小，实践表明，钻杆内涂层提高了钻井工艺效率，取得显著的经济效益。1.3 激光表面改性技术 激光表面改性技术主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类，而激光熔融又有激光表面熔凝、激光表面合金化和激光表面熔覆等。激光处理在工业中的应用有许多优点：（1）激光熔覆层与基体可以实现牢固的冶金结合或界面扩散结合（2）其作用后冷却速度一般大于104℃/S以上，属于快速凝固过程，易得细晶组织（3）通过激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好覆层，并且涂层成分和稀释度可控（4）激光处理热变形小，尤其采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm，很适合油田上常用易损件的磨损修复（6）容易实现选区熔覆（7）工艺过程自动化。 目前油田上利用激光处理技术采用激光相变硬化的比较多，主要用于汽车的发动机缸体、气缸套、活塞环等，中科院金属所曾与玉门石油机械厂合作，对抽油泵泵筒内壁采用了激光相变硬化处理。井下试验表明，使用寿命提高一倍。此外对整筒45钢柱塞和球铁钻井泵钢套的激光淬火也取得了良好的效果。国外曾有人对井下涡轮钻具中的128700型轴承进行激光快速加热和深层熔化的强化处理，使表层硬度达到57-60HRC，提高了耐磨性，其支承节轴承的平均寿命比普通的涡轮钻具支撑节提高了2倍以上。 在激光熔覆方面，Nareshchandra Jar 在专利US 4781770中曾提出对牙轮壳体表面进行激光熔覆处理。采用直接粘接、等离子喷涂方法预先将WC粉末涂敷到牙轮壳体表面，然后利用连续CO2激光器在大于1.5KW束斑直径10mm的激光照射下，熔化覆层。涂层厚度在0.4-0.8mm之间，通过多次添加粉末和反复扫描可获得更厚的土层，融覆层的硬度可达57-60HRC。我国的江汉钻头厂先后与华中科技大学等科研院所合作，对钢齿钻头表面熔覆WC，通过激光表面处理工艺参数的调整，使WC颗粒的熔化烧损率明显降低，保证了WC颗粒在熔覆层中的有效尺寸和高强度，其耐磨性比生产线上用氢原子敷焊的覆层有了明显的提高。1.4 电镀、化学镀 化学镀在油管的防护方面起重要作用。目前化学镀管有Ni-P合金镀管和双层镀管。由于非晶态镍磷合金镀层具有优异的耐盐水、H2S和CO2腐蚀性及良好的耐磨性能。近年来，大庆、胜利、江汉等油田应用了Ni-P合金化学镀油管，取得了一定效果。Ni-P化学合金镀是对油管钢材是一种封闭性保护层，只有在镀层绝对完好的情况下，才起到保护作用。 俄罗斯对不同涂镀方法形成的镀层进行理化性能研究的结果表明，扩散法镀锌层在各种腐蚀性介质中均有较好的耐蚀性和耐磨性。因此对油管及接箍实施扩散法镀锌，就可以达到提高其使用可靠性和使用寿命的目的。 目前，研究人员对钢齿牙轮钻头齿面，通过电镀或者化学镀，镀覆一层金刚石，能够达到耐磨性的要求，可以使钻头的齿面强化。1.5 其它表面处理方法 除了上述方法以外，热浸镀铝使油管也很常用。东北大学材料研究所对石油管材中J55、N80钢，采用热浸镀铝的方法进行处理，经研究认为，石油管热浸度铝的最佳工艺为熔融溶剂法中的二浴法。最后得到的油管有效地提高了耐热性和耐蚀性。 除此之外，喷丸强化在抽油杆的生产过程中应用非常广泛。笔者在胜利油田孚瑞特石油装备公司认识实习中看到过大型的喷丸设备，在抽油杆的强化过程中主要是产生表面压应力，提高了材料的表面强度。2 输油管道中的应用 在输油管道中，由于外界环境及内部多相介质的作用，使得管道内部和外部都受到不同程度的腐蚀，造成恩多严重的后果。针对不同的管道失效形式及其所处的环境，形成了一套完整的管道防腐体系。目前管道行业表面工程的主要应用为涂料涂敷工艺，同时要结合内衬技术、补口技术及保温技术等等。2.1 管道内防腐技术 油气田内涂层技术正处于发展阶段，形成了多种材料及系统产品。这种技术只适用于短距离管道及中小口径管道，不能用于长输管道。各种涂料有液体涂料（环氧涂料、聚氨酯涂料）、环氧粉末、玻璃鳞片防腐层、富锌涂料等应用技术。2.2 管道外防腐层 目前我国的埋地管道外防腐层应用技术建立了八大技术模块，即石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆、聚乙烯粘带、溶结性环氧粉末、两层三层聚乙烯防腐层及硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层等。而在世界范围内，溶结性环氧粉末的应用是最广泛的。我国的技术主要是三层防腐层，内层溶结性环氧粉末（FBE）+中间共聚物层+外层聚乙烯。在进行外防腐施工时，都要对表面进行严格的预处理，已达到喷涂粉末的要求。2.3 架空管道外防腐 考虑到大气的作用，应用较多的是聚氨酯防腐涂料、HCPE、热喷涂锌、铝及其合金覆盖层等技术，这些技术工艺大都已成熟应用于油田管道，工艺完善，在防腐过程应用中，有效地保护了管道，延长了寿命，产生了巨大的经济效益。3 海洋石油工业中的应用 随着海洋石油的勘探开发，海上作业的机械设备越来越多。海上采油、彩气设备、海底管线、海上平台等也都遭受到海水腐蚀介质的腐蚀。由于海上特殊的环境，海洋钢结构的防腐措施也有所不同，但大多数采用的是热喷涂技术和涂料涂装技术。 海上飞溅区比较经典的是使用包覆层，70/30Ni-Cu合金或90/10Cu-Ni合金包覆是很好的防蚀作用。近年来，热喷涂金属也得到大力的推广。在海洋和滩涂石油平台的大气区，都采用涂层保护。对一些形状复杂的结构采用浸镀锌加涂层，喷涂铝、锌等金属加封闭层也获得广泛应用。 1984年，Hutton公司在其北海的钢筋束柱采油平台上采用热喷涂铝涂层防腐，是热喷涂技术首次应用于大型海洋工程设施。其钢筋束、轴承、连接器等零件及升降机均采用热喷涂铝涂层防腐，喷两层铝，每层100 ，然后采用有机漆封闭，使用8年后，1992年，腐蚀最严重的海洋飞溅区没有发现明显的腐蚀。目前热喷涂铝和铝合金已广泛应用于钻采设施腐蚀与防护，特别是铝-50%镁合金涂层。90年代，壳牌石油公司采用热喷涂铝加有机硅铝粉漆封闭复合涂层对墨西哥湾深处的海泥区的水下管道进行防腐，取得了良好的效果。4 结束语 表面工程在石油行业的应用解决了很多问题，比如腐蚀、磨损等，已经取得了非常可观的效益。其中热喷涂、涂料涂装、电镀化学镀等技术已经应用很普遍，这些技术不但可以在石油机械中进行修复，还可以对表面进行强化，有利地提高使用寿命，为石油的勘探开发做出了贡献。但是对于大多数的表面处理方法还没有得到应用，这不仅有技术方面的不完善，还有各种工况条件的约束。所以表面工程技术在各种工艺方面急需推进发展，在石油工业中的现场应用技术也需要改进和提高。