双金属复合涂层制备工艺对耐蚀性能的影响

奚运涛 刘 伟 刘 锐 胡东伟 张建魁

1.长庆油田公司油气工艺研究院， 陕西 西安 710021;2.低渗透气田勘探开发国家工程实验室， 陕西 西安 710021;3.长庆油田公司第十采油厂， 甘肃 庆城 745100;4.长庆油田公司第五采油厂， 陕西 西安 710069



双金属复合涂层制备工艺对耐蚀性能的影响

奚运涛1,2刘 伟1,2刘 锐1,2胡东伟3张建魁4

1.长庆油田公司油气工艺研究院， 陕西 西安 710021;2.低渗透气田勘探开发国家工程实验室， 陕西 西安 710021;3.长庆油田公司第十采油厂， 甘肃 庆城 745100;4.长庆油田公司第五采油厂， 陕西 西安 710069

长庆某区块下古主力产层的H2S和CO2含量均较高，导致部分产水气井的生产管柱腐蚀穿孔严重，修井频繁，严重影响了气田的正常生产。为此提出了双金属复合涂层管柱防腐技术，在管柱表面形成底层1Cr13不锈钢、面层Al合金及封孔剂的三层复合结构。采用正交试验法系统研究了喷涂工艺对复合涂层的组织结构、密度和耐腐蚀性能等的影响规律。采用扫描电镜(SEM)对涂层的显微结构进行表征，采用阿基米德排水法对涂层的密度进行测试，采用CORTEST高温高压釜对涂层的耐腐蚀性能进行评价。结果表明：电弧电流和喷涂距离对涂层密度的影响显著，随着电弧电流的升高，涂层密度呈单调增大趋势；随着喷涂距离的增大，涂层密度呈先增大后减小趋势；而电弧电压对涂层密度的影响不显著。在电弧电流240A，电压32V，喷涂距离150mm条件下制备的双金属复合涂层组织较致密，腐蚀速率仅为0.072mm/a，耐蚀性能较N80基材提高7倍以上。

双金属；复合涂层；制备工艺；腐蚀

0 前言

针对同时含H2S、CO2和高矿化度水的复杂环境，管柱防腐问题一直备受关注。国外常见的做法是选择耐蚀合金管材，如超级13Cr或22Cr等不锈钢管材，但防腐成本较高，难以在该区块的低产气井中应用。国内部分油田常采用井内加注缓蚀剂的防腐方法，但药品费用巨大，现场管理难，后期维护成本高[3]。因此，提出了双金属复合涂层管柱防腐技术。前期小试[4]结果表明，该技术在高腐蚀气井中取得了一定的应用效果。但双金属复合涂层的制备工艺还不完善，喷涂工艺对耐蚀性能的影响规律也有待研究。因此，本文采用正交试验方法系统研究喷涂工艺参数对复合涂层的组织结构、密度和耐腐蚀性能的影响规律，为双金属复合涂层的进一步完善提供基础数据，使该技术实现规模推广。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及涂层制备

基材试样采用N80钢，尺寸30mm×15mm×3mm。经丙酮除油、喷砂粗化、超声清洗、干燥等处理后待用。制备方法采用超音速电弧喷涂，利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化的丝材雾化，并以超音速喷向工件，增加涂层的致密性和结合强度[5-6]。喷涂材料采用Al合金和1Cr13不锈钢实芯丝材，规格Φ2mm。

喷涂完毕后，采用环氧富锌封孔剂对涂层表面进行封孔处理，在油、套管表面形成底层1Cr13不锈钢、面层Al合金及封孔剂的三层复合结构。底层1Cr13层，厚度150～200μm；面层Al合金层，厚度200～250μm。试验采用3因素3水平的正交试验方法设计，方案见表1。

1.2 试验方法

采用JSM6360LV型扫描电镜(SEM)对涂层的微观形貌进行分析。采用FA2004N电子天平及阿基米德排水原理对双金属复合涂层的密度进行测试。首先分别称量涂层试样的干重和浮重，然后根据阿基米德排水原理计算涂层相对密度，计算方法见式(1)。

(1)

采用CORTEST高温高压釜对9组涂层试样及未涂

层试样的耐腐蚀性能进行评价，模拟该区块井筒工况，试验条件为：p总=24MPa，pCO2=2.16MPa，pH2S=0.156MPa，温度70 ℃，流速2m/s，试验时间168h，试验水质为GX-X井现场水样，水质成分见表2。

表1 喷涂工艺参数正交试验设计方案

表2 GX-X井采出水水质成分

2 试验结果及分析

2.1 显微结构分析

对9组不同工艺条件下制备的Al/1Cr13双金属复合涂层的微观组织进行分析，结果表明第6组的涂层孔隙最大，界面结合最差，见图1；第9组的涂层组织最致密、孔隙最少，界面结合好，见图2。由图1～2可以看出，Al层无分层结构，组织均比较致密，但第6组存在微孔隙较多，第9组基本无微孔隙存在。1Cr13层为典型的层状结构，层间嵌有深灰色条状组织，主要是由于 1Cr13 发生了部分氧化的原因。层状结构主要是由于液态1Cr13与基体或已形成涂层的表面碰撞时易铺展或扁平化所致[7-8]。

a)复合涂层

b)Al层

c)1 Cr 13层

d)Al/ 1 Cr 13/基体之间界面

a)复合涂层

b)Al层

c)1 Cr 13层

d)Al/1 Cr 13/基体之间界面

2.2 密度测试

涂层密度可在一定程度上反应涂层的致密程度，密度越大，则越致密，孔隙率也越低。9组涂层的密度测试结果见图3。由图3可知，第6组涂层的密度最小，为3.42，说明比较疏松或孔隙率大，微孔隙较多；而第9组的密度最大，为5.93，说明该组涂层的致密性好，孔隙率最低。

采用正交分析法，对同一因素、不同水平下的涂层密度取平均值作图，可得不同因素水平对涂层密度的影响，见图4。可以看出，随着电弧电流的升高，涂层密度呈单调增大趋势；随着喷涂距离的增大，涂层密度呈先增大后减小趋势；而电弧电压对涂层密度的影响最小。

图3 9组涂层密度测试结果

图4 不同因素水平对涂层密度的影响

电弧电流决定着热输入量，电弧电流增大，液滴的过热程度增加，雾化更快、更充分，液滴粒子更加细小且具有较高的动能，冲击到试样表面后，扁平化程度更高，组织更加致密，密度更大。因此，电弧电流对涂层密度影响较大。喷涂距离决定着液态雾化粒子的运动距离，喷涂距离较小时，加速距离不够，粒子的动能未达到最大值就已冲击试样，铺展不充分；喷涂距离较大时，加速距离过大，粒子的动能达到最大值后又降低，因此随着喷涂距离的增加，涂层密度影响显著，呈现先增大后减小趋势[9]。而电弧电压决定着液态雾化粒子的加速快慢，由于液态粒子体积小，不需要很高的电弧电压就可以完成加速；如果电弧电压过大，加速过快，液态粒子还未充分雾化就已脱离热源，会导致粒子体积过大，速度下降快，扁平化程度下降，密度变小[10]，但影响不显著。

2.3 耐蚀性能评价

基材及9组涂层试样的耐腐蚀性能试验结果见图5。从图5可知，9组涂层试样的腐蚀速率均明显小于基材，表明9组涂层均具有一定的耐蚀能力。其中，第9组涂层的腐蚀速率最低，耐蚀能力最优，为0.072 mm/a。而第6组涂层的腐蚀速率最高，耐腐蚀性能较差，为0.334 mm/a。

分析可知，腐蚀速率测试结果与显微分析及密度测试的结果相吻合，规律基本一致。涂层越致密，微孔隙越少，越能有效地隔离腐蚀介质，保护基体[11-15]。

图5 9组涂层试样及基材的腐蚀速率

3 结论

1)双金属复合涂层采用底层1 Cr 13不锈钢、面层Al合金及封孔剂的三层复合结构，组织致密、孔隙少，界面结合良好。涂层密度在一定程度上反应了涂层的致密程度。随着电弧电流的升高，涂层密度呈单调增大趋势；随着喷涂距离的增大，涂层密度呈先增大后减小趋势；而电弧电压对涂层密度的影响不显著。

2)在第9组工艺参数即电弧电流240 A、电压32 V、喷涂距离150 mm条件下，制备的双金属复合涂层组织较致密，密度大，耐蚀性能最优，腐蚀速率仅为0.072 mm/a。

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2015-07-24

中国石油天然气集团公司重大科技专项(2008E-1306)

奚运涛(1978-)，男，山东巨野人，高级工程师，博士，主要从事腐蚀与防护及表面工程技术研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.014