頁(yè)巖氣地面管道20#鋼與碳化鎢涂層彎頭沖蝕性能研究

張新發(fā) 徐軍 陳世波

1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

3川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司

威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣某平臺(tái)測(cè)試流程單元頻繁發(fā)生彎頭刺漏事故，嚴(yán)重影響了頁(yè)巖氣的正常生產(chǎn)。經(jīng)分析，造成事故的主要原因?yàn)楦吡魉俸皻饬鲗?duì)彎頭造成的沖蝕。頁(yè)巖氣開(kāi)采是通過(guò)加砂壓裂人造裂縫形成油氣通道，將氣體從地層引流至井筒然后進(jìn)入地面裝置開(kāi)采出來(lái)。排液生產(chǎn)階段以及生產(chǎn)初期，頁(yè)巖氣中含砂量較大，在高速氣流作用下很容易將管道彎頭沖蝕刺穿[1-3]，而且彎頭外側(cè)最容易被沖蝕[4-5]。因此，如何降低彎管的沖蝕磨損程度，提高彎管的耐磨性，是保障頁(yè)巖氣采輸管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文采用超音速等離子噴涂工藝在彎管內(nèi)表面噴涂碳化鎢涂層來(lái)提高彎頭抗沖蝕性能，相關(guān)結(jié)論對(duì)今后彎管抗沖蝕表面處理方面的研究有一定參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法及條件

使用氣固沖蝕試驗(yàn)機(jī)（圖1和圖2）對(duì)20#基體和制備的碳化鎢涂層耐沖蝕性能進(jìn)行研究。選用多棱型剛玉作為磨粒（直徑范圍180～240 μm，硬度2 000～23 00 HV），其微觀形貌見(jiàn)圖3。根據(jù)沖蝕情況選定20°、30°、50°、70°、90°5個(gè)沖擊攻角，風(fēng)速20 m/s，含砂量80 g/min，沖蝕時(shí)間5 min，試驗(yàn)完成后用超聲波對(duì)試樣進(jìn)行清洗，稱(chēng)重并測(cè)量體積或質(zhì)量損失。試驗(yàn)前后的試樣均須經(jīng)丙酮超聲波清洗，待干燥后用電子分析天平（精度0.01 mg）稱(chēng)量其質(zhì)量損失，計(jì)算沖蝕率。沖蝕率是沖擊到靶體表面的單位質(zhì)量磨料（或沖蝕粒子）所磨蝕掉的靶體（即被沖蝕物）材料的質(zhì)量（用E表示，單位mg/g）或體積（mm3）。對(duì)于不同材料或鍍層試樣的沖蝕評(píng)價(jià)，應(yīng)根據(jù)各自密度換算成體積損失表征沖蝕率（20#密度為7.86 kg/m3、碳化鎢密度為15.63 kg/m3）。另外，采用TAYLOR-HOBSON型表面輪廓儀測(cè)定表面沖蝕坑深度來(lái)表征沖蝕率。用HITACHIS-570 型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)沖蝕后試樣的表面形態(tài)和失效機(jī)理進(jìn)行觀察和分析。

圖1 氣固兩相沖蝕設(shè)備Fig.1 Gas-solid two-phase erosion equipment

圖2 沖蝕原理Fig.2 Erosion principle

圖3 沖蝕粒子（多棱型剛玉）微觀形貌Fig.3 Micromorphology of erosion particles（polygonal corundum）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同材質(zhì)的沖蝕規(guī)律

圖4和圖5分別為20#鋼和碳化鎢涂層不同沖蝕角度下的宏觀形貌。由圖可見(jiàn)，兩種材質(zhì)在不同角度下的沖蝕痕跡相似：低角度時(shí)沖蝕輪廓呈橢圓形，高角度時(shí)沖蝕輪廓呈圓形。由表1 和圖6 可見(jiàn)，隨沖蝕角度增大，20#鋼材料沖蝕速率降低，抗沖蝕性能增強(qiáng)，20°時(shí)沖蝕速率最大，90°時(shí)沖蝕速率最小，即20#鋼在低角度下不耐沖蝕，在高角度下耐沖蝕。塑性材料和脆性材料的磨損機(jī)制不同[6-7]，這種變化規(guī)律與已有文獻(xiàn)資料中介紹的典型塑性材料最大攻角出現(xiàn)在15°～30°處一致[8]。

圖4 20#材料不同沖蝕角度下沖蝕宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of 20#material at different erosion angles

圖5 碳化鎢涂層材料不同沖蝕角度下沖蝕宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of tungsten carbide coating material at different erosion angles

隨沖蝕角度增大，碳化鎢涂層沖蝕速率先增大后減小，50°時(shí)沖蝕速率最大。在沖蝕磨損過(guò)程中，磨粒的初動(dòng)能是造成材料沖蝕磨損的根源。初動(dòng)能分為水平初動(dòng)能和垂直初動(dòng)能，水平初動(dòng)能對(duì)材料表面進(jìn)行切削、犁削，垂直初動(dòng)能造成材料表面應(yīng)力應(yīng)變的加劇直至部分材料剝落，所以沖蝕磨損過(guò)程包括被沖蝕材料的變形位移和已變形位移部分的脫落。碳化鎢涂層對(duì)抵抗變形位移有利，但對(duì)已發(fā)生變形位移部分的脫落不利[9]，所以在水平初動(dòng)能和垂直初動(dòng)能的共同作用下，碳化鎢涂層在沖擊角度50°時(shí)沖蝕速率出現(xiàn)最大值。

表1 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕量及抗均勻沖蝕率計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of erosion rate and uniform erosion resistance of 20#steel and tungsten carbide coating

圖6 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕量隨沖蝕角度變化趨勢(shì)Fig.6 Erosion rate of 20#steel and tungsten carbide coating changes with erosion angles

對(duì)比兩種材料的試驗(yàn)結(jié)果，碳化鎢涂層在所有沖蝕角度下抗沖蝕性能均優(yōu)于20#鋼，抗沖蝕性能可提高近85%。

采用TAYLOR-HOBSON 型表面輪廓儀測(cè)定表面沖蝕坑深度。由表2 和圖7 可見(jiàn)，隨沖蝕角度增大，兩種材料沖蝕坑最大深度呈增大趨勢(shì)，碳化鎢涂層沖蝕坑最大深度小于20#鋼，抗局部沖蝕性能優(yōu)于20#鋼，抗局部沖蝕性能可提高近95%。

表2 20#鋼和碳化鎢涂層表面沖蝕坑深度測(cè)量結(jié)果及抗局部沖蝕率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Measurement results of erosion pit depth on surface of 20#steel and tungsten carbide coating and calculation results of local erosion resistance rate

圖7 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕坑深度隨沖蝕角度變化趨勢(shì)Fig.7 Erosion pit depth of 20#steel and tungsten carbide coating changes with erosion angles

2.2 不同材質(zhì)的沖蝕機(jī)理

圖8 為20#鋼不同沖蝕角度下的微觀形貌。由圖可見(jiàn)：20#鋼材料為塑性材料，低角度（20°和30°）沖蝕時(shí)有明顯的切削溝槽，主要為微切削機(jī)理；中角度（50°和70°）沖蝕時(shí)試樣表面出現(xiàn)凸起較高的擠出唇片，砂粒對(duì)試樣表面的顯微切削作用減小，沖擊擠壓作用增強(qiáng)；高角度（90°）沖蝕時(shí)試樣表面出現(xiàn)明顯沖蝕坑，砂粒對(duì)試樣表面沖擊以擠壓鍛打機(jī)理為主。圖9為碳化鎢涂層不同沖蝕角度下的微觀形貌。由圖可見(jiàn)：低角度沖蝕時(shí)有明顯的犁溝，為微切削機(jī)理；高角度沖蝕時(shí)，鑿切力基本消失，涂層僅受正面沖擊，不斷發(fā)生彈塑性變形，形成沖擊凹坑[10-11]，所以高角度沖蝕為擠壓鍛打機(jī)理。

圖8 20#鋼在不同沖蝕角度下的微觀形貌Fig.8 Micromorphology of 20#steel at different erosion angles

圖9 碳化鎢涂層在不同沖蝕角度下的微觀形貌Fig.9 Micromorphology of tungsten carbide coating at different erosion angles

3 結(jié)論

20#鋼沖蝕速率隨沖蝕角度增大而降低，沖蝕角度為20°時(shí)沖蝕最嚴(yán)重；碳化鎢涂層沖蝕率隨沖蝕角度增大先增大后減小，50°時(shí)沖蝕最嚴(yán)重，抗沖蝕性能較20#鋼提高近85%。20#鋼和碳化鎢涂層低角度沖蝕時(shí)為微切削機(jī)理，高角度沖蝕時(shí)以擠壓鍛打機(jī)理為主。