模擬油田井液環(huán)境中高速電弧噴涂涂層的腐蝕行為研究

陳健飛 陳麗娜 劉海波 伍文君

（中石化勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營257000）

0 引言

量油分離器是油田開采的關(guān)鍵裝備，尤其是隨著油田進入特高含水期，其服役環(huán)境越來越嚴峻，腐蝕問題非常突出，目前有效的防腐措施是對量油分離器進行涂層處理，因此選用與量油分離器用材Q235鋼相匹配的涂層尤為重要。

選用電位比鋼鐵材料低的金屬或合金能使涂層具有陽極保護作用。Zn涂層是熱噴涂防腐技術(shù)中使用最早且最多的涂層材料，但Zn涂層的腐蝕產(chǎn)物會引起涂層起泡，降低涂層的附著力［1］。當涂層中Al含量為13%～35%時，Al－Zn合金涂層既具有純Zn涂層對鋼鐵基體的有效陽極保護且對裂紋和點腐蝕不敏感的特點，又因涂層中含有足夠的Al，能夠形成完整的Al2O3保護膜而耐環(huán)境腐蝕［2］。鈦金屬會在表面形成一層致密穩(wěn)定的鈍化膜，在強腐蝕環(huán)境中顯示出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和較強的自鈍化能力，是優(yōu)良的耐蝕材料。

考慮經(jīng)濟因素，將Al、Ti結(jié)合，研究Al－Ti涂層的耐蝕性，比較3種涂層在不同環(huán)境下的耐蝕性，綜合開發(fā)一種長效、經(jīng)濟、環(huán)保的鋼鐵結(jié)構(gòu)防護涂料。

1 設(shè)備與試驗方法

1.1 噴涂設(shè)備與試樣制備

試驗所用的基體為Q235 鋼。噴涂鋁涂層前采用粒度為30目的剛玉砂進行噴砂處理，并用丙酮溶液清除表面的油污與粉塵，使鋼表面清潔。采用高速電弧噴涂機進行噴涂，電弧噴涂工藝參數(shù)如表1 所示。噴涂后，采用環(huán)氧樹脂進行封孔處理。

表1 電弧噴涂工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

采用金相顯微鏡對涂層組織進行觀察，分析其結(jié)合方式。

高溫高壓腐蝕試驗：反應釜內(nèi)溫度為（60±1.0）℃，試驗壓力1.6 MPa，將試樣表面完全浸泡在質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液中，觀察720h。在140h取出浸泡試樣進行金相分析。為了降低腐蝕產(chǎn)物對試驗的影響，需要保證溶液的量和試樣表面積的比例大于20mL∶1cm2。

電化學試驗：用M398電化學測試系統(tǒng)測量基體與涂層的極化曲線，采用傳統(tǒng)的三電極體系，試樣為工作電極。試驗前準備20mm×20mm 試樣，噴涂后露出測試面積為1cm2。工作電極和輔助電極經(jīng)過活化處理后，立即放入電解池中，待電位穩(wěn)定后分別測定涂層和基體的極化曲線。測試所用腐蝕介質(zhì)為模擬油田量油分離器溶液，試驗溫度為25 ℃，選擇掃描速度為0.01V/min。

腐蝕掛片試驗采用密封體系。腐蝕介質(zhì)選用3.5% NaCl水溶液，采用分析純NaCl和去離子水配置。浸泡試驗在控溫（40±1）℃下進行，控溫裝置采用電熱控溫水浴鍋。腐蝕試驗設(shè)備采用RCC－Ⅰ型旋轉(zhuǎn)掛片試驗儀。試驗試樣規(guī)格50mm×25mm×3mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 涂層組織與形貌

噴涂過程中，每個噴涂粒子經(jīng)過與基體碰撞后都將發(fā)生扁平化，而形成一定形態(tài)的扁平粒子，涂層呈現(xiàn)由這些扁平粒子相互交錯堆疊而形成的組織結(jié)構(gòu)。由于粒子表面存在一定的粗糙度，后續(xù)粒子對已沉積的粗糙表面的不完全填充會形成一定量的孔隙。

由于涂層是高熱容材料，顆粒撞擊基體后連續(xù)而穩(wěn)定地流動形成薄餅形顆粒；無數(shù)扁平化的顆粒相互交錯呈波浪式堆疊在一起，形成層狀涂層。涂層的典型結(jié)構(gòu)，從斷面觀察是變形顆粒堆積鑲嵌的層狀結(jié)構(gòu)。通過形貌觀察（圖1、圖2、圖3）可知基體表面粗化的程度和涂層與之結(jié)合的狀態(tài)。高溫熔融顆粒在飛行過程中會受到空氣的氧化，到達基體時，由于受到撞擊力的作用，顆粒瞬間鋪展，氧化膜破碎并伴有少量的顆粒飛濺，顆粒之間不可避免地存在一些孔隙或空洞。從圖2中可以看出，涂層顆粒之間咬合緊密，有的顆粒連成了一體，可能是在撞擊力的作用下，沒有完全固化的顆粒之間發(fā)生了熔合。說明顆粒之間除了機械結(jié)合之外，還存在一定量的冶金結(jié)合，所以涂層的內(nèi)聚強度較高。

圖1 Al涂層的金相形貌

圖2 Al－Ti涂層的金相形貌

圖3 Al－Zn涂層的金相形貌

涂層中顆粒與基體表面之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合包括機械結(jié)合、冶金化學結(jié)合和物理結(jié)合，以機械結(jié)合為主。機械結(jié)合時會存在空隙，減小了結(jié)合強度。

2.2 高溫高壓掛片試驗

將熱噴涂的3種涂層和Q235鋼制作試塊，在靜態(tài)模擬井液中浸泡，直至試驗結(jié)束，測量數(shù)據(jù)，腐蝕時間為7天。

表2 不同涂層與基體的腐蝕速度

2.3 電化學試驗

除了鋁鈦涂層的自腐蝕電位比Q235鋼高一點外，其余涂層的自腐蝕電位較Q235鋼要小，適于作為基體的耐腐蝕保護材料，因為涂層腐蝕電位比基體的小，可以形成陽極保護［3］。鋁鈦涂層的自腐蝕電位雖然較Q235鋼的高，但鈦在腐蝕介質(zhì)中能形成鈍化膜，阻礙腐蝕的進行，也適于作為防腐涂層。

涂層與基體的極化曲線如圖4所示，熱噴涂涂層的電化學參數(shù)如表3所示。

圖4 涂層與基體的極化曲線

表3 熱噴涂涂層的電化學參數(shù)

3 結(jié)論

（1）研究了鋁、鋁鈦、鋁鋅3種熱噴涂涂層的組織和性能，涂層中顆粒與基體表面之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合包括機械結(jié)合、冶金化學結(jié)合和物理結(jié)合，以機械結(jié)合為主。

（2）通過高溫高壓試驗考察了3種涂層在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性，試驗結(jié)果表明，3種涂層有效提高了Q235鋼基體的耐蝕性能，對基體均能起到犧牲陽極的陰極保護作用。3種涂層中以鋁鋅涂層的耐蝕性最優(yōu)。

（3）通過電化學試驗證明，3種涂層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕以活化溶解為主要機制，通過測試電化學參數(shù)，表明鋁鋅涂層優(yōu)于其他涂層。

［1］黃鈺，程西云.電弧噴涂鋅鋁合金涂層的防腐機理和應用現(xiàn)狀［J］.熱加工工藝，2014（4）：9－11.

［2］Li H Y，Duan J Y，Wei D D.Comparison on corrosion behaviour of arc sprayed and zinc－rich coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2013，235：259－266.

［3］張鑒清，曹楚南.電化學阻抗譜方法研究評價有機涂層［J］.腐蝕與防護，1998，19（3）：99－104.