鍍液組分對(duì)Ni-Sn-P合金鍍層組織性能的影響

任 康，董 會(huì)

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

完整的石油套管對(duì)石油管安全運(yùn)行開發(fā)具有重要的影響意義，但在高礦化度（高溫高壓條件）下，碳鋼廣泛應(yīng)用受到限制[1]，因而十分必要對(duì)管道性能進(jìn)行提升，常見的化學(xué)鍍技術(shù)由于其性能較好的原因被廣泛應(yīng)用[2]。但在苛刻的環(huán)境對(duì)二元合金鍍層產(chǎn)生很大的限制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用添加第三元素來改善鍍層的性能。最常見的Ni-Sn-P鍍層，在性能上得到較好的完善。

基于以上考慮，本文采用梯度法研究鍍液配方對(duì)鍍層性能的影響規(guī)律，進(jìn)而為Ni-Sn-P合金鍍層在油氣田的應(yīng)用及其安全開發(fā)提供良好應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用X70油套管作為基體。其用于化學(xué)鍍的試樣規(guī)格為50mm×10mm×3mm。基體試樣制備逐級(jí)打磨至1200#，用丙酮除油，去離子水、無水乙醇超聲清洗10 min，冷風(fēng)吹干備用。

1.2 制備工藝

X70鋼在實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，將試樣放入88±2℃的NaOH除油10min，再進(jìn)行室溫條件2min的敏化，然后在0.1g/L PaCl2中活化2min，酸洗活化結(jié)束后，將試樣采用去離子水清洗，放入配置好的鍍液中進(jìn)行施鍍。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別對(duì)氯化鎳濃度進(jìn)行梯度設(shè)置，制備Ni-Sn-P合金鍍層具體的試驗(yàn)方案以及得到的元素含量、施鍍時(shí)間如表1所示。本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)制備的鍍層表面形貌、鍍液失效時(shí)間及其元素組成作為評(píng)判指標(biāo)。將NiCl2·6H2O的濃度分別設(shè)置為20、30和 40g/L。

表1 NiCl2·6H2O對(duì)元素含量及其施鍍時(shí)間影響

1.4 鍍層性能檢測(cè)

采用掃描電鏡觀察不同鍍液配方下制備的Ni-Sn-P鍍層表面形貌，并用電鏡附帶的能譜儀（EDS）測(cè)定鍍層表面的元素成分，對(duì)每種鍍層表面進(jìn)行五個(gè)元素區(qū)域測(cè)定，確定元素組成的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

通過不同鍍液組分制備的Ni-Sn-P合金鍍層，可以看出，Ni-Sn-P合金鍍層均由明顯的胞狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在NiCl2·6H2O質(zhì)量濃度為20g/L，鍍層表面胞狀結(jié)構(gòu)沉積較少，鍍層表面很難形核。繼續(xù)增加含量，鍍層的形核率更高，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸更小，鍍層表面的結(jié)構(gòu)致密均勻，未產(chǎn)生裂紋及其孔隙。當(dāng)質(zhì)量濃度增加為40g/L，鍍層表面結(jié)構(gòu)增大，產(chǎn)生大小不等的凸起，表明繼續(xù)增加NiCl2·6H2O的質(zhì)量濃度對(duì)于形核率具有抑制作用，在此條件下鍍層的形核率很低。

Ni2+含量較少時(shí)，鍍層表面的形核率較少，離子很難沉積，導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不均勻。在質(zhì)量濃度為30g/L時(shí)，對(duì)鍍層的沉積速率有較好的提升作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的活化中心，產(chǎn)生均勻致密的鍍層。加入過量的鎳鹽時(shí)，在鍍液中形成游離的Ni2+含量過大，可產(chǎn)生大量的自催化活化中心，導(dǎo)致鍍液過早失效。對(duì)鍍層的沉積和致密性能均有抑制作用。見圖1所示。

圖1 不同NiCl2·6H2O質(zhì)量濃度制備的Ni-Sn-P合金鍍層

2.2 失效時(shí)間分析

當(dāng)鎳鹽的含量較小時(shí)，在表面形成的自催化活化中心較小，離子很難沉積在基體表面。隨著含量的增大，鍍層表面產(chǎn)生的活性中心逐漸均勻，使得鍍層表面沉積速率加快，鍍液的穩(wěn)定性得到提升。但是隨著鎳鹽含量的繼續(xù)增大，鍍液內(nèi)易產(chǎn)生亞磷酸鎳沉淀，對(duì)鍍層的穩(wěn)定性能產(chǎn)生很大的抑制作用。在此條件下，可產(chǎn)生額外的活化中心，導(dǎo)致鍍液多個(gè)部位發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致鍍液在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效?？梢钥闯?，在鍍液配方中NiCl2·6H2O的最佳質(zhì)量濃度為30g/L，此時(shí)鍍液的施鍍時(shí)間最長(zhǎng)，在此鍍液中，施鍍時(shí)間為14min。見圖2。

圖2 NiCl2·6H2O變化對(duì)鍍液失效時(shí)間的影響規(guī)律

2.3 腐蝕試驗(yàn)

將制備的鍍層在3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行浸泡24h后，分析其腐蝕速率?？梢钥闯觯?0g/L的Ni-Sn-P合金鍍層的失重最小，其耐蝕性能最好。與鍍層的配方及其施鍍時(shí)間有關(guān)，由于在此條件下結(jié)構(gòu)致密、形核率高及其組織結(jié)構(gòu)均勻的原因，腐蝕性離子很難穿過鍍層腐蝕到基體，起到良好的陽極保護(hù)作用，使得鍍層的耐蝕性能最好。

圖3 不同Ni2+含量的Ni-Sn-P合金鍍層在3.5%NaCl中浸泡的腐蝕速率

3 結(jié)論

1） 通過化學(xué)鍍方法制備的Ni-Sn-P合金鍍層均為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，表面均是由胞狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。改變鍍液配方對(duì)鍍層中Ni的含量變化影響不大。2） NiCl2·6H2O對(duì)鍍液的失效時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。主要是由于鍍液內(nèi)NiCl2·6H2O質(zhì)量濃度為10g/L時(shí)，在鍍液內(nèi)產(chǎn)生的活化中心較小，產(chǎn)生施鍍不均勻的結(jié)構(gòu)。增加為30g/L時(shí)，鍍層產(chǎn)生均勻的活化中心，導(dǎo)致鍍層施鍍均勻。過量的NiCl2·6H2O導(dǎo)致鍍液內(nèi)產(chǎn)生大量的活化中心，較短時(shí)間發(fā)生大量的氧化還原反應(yīng)使得鍍液發(fā)生分解。3）在3.5%的NaCl中浸泡1d后，20g/L的NiCl2·6H2O鍍層表面分布不均勻，導(dǎo)致鍍層的耐蝕性較低；在30g/L時(shí)，鍍層均勻的組織及其長(zhǎng)時(shí)間的施鍍對(duì)基體起到良好的保護(hù)作用。過量的NiCl2·6H2O導(dǎo)致鍍層施鍍較薄的原因，耐蝕性能得到很大程度的降低。4）綜合正交試驗(yàn)鍍層成分、評(píng)級(jí)、表面形貌及其鍍液失效時(shí)間和腐蝕性能，確定鍍層中NiCl2·6H2O的最佳配方為30g/L。