石油工業(yè)熱噴涂技術(shù)分析

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摘要：本文簡要介紹了熱噴涂技術(shù)在石油工業(yè)的應(yīng)用情況，熱噴涂技術(shù)可以增強(qiáng)部件的耐蝕性和耐磨性，有效延長設(shè)備和部件的使用壽命，在石油工業(yè)中將會(huì)有一個(gè)良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：熱噴涂；修復(fù)；防護(hù)；石油工業(yè)

我國對(duì)于石油以及相關(guān)化工產(chǎn)品的需求量很大。石油工業(yè)中很多設(shè)備和備件長期在水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等腐蝕環(huán)境下進(jìn)行服役，承受化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損的雙重作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)表明，因化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損造成的損失可占到石油工業(yè)產(chǎn)值的5%，年累計(jì)損失可超過十億元，給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近些年隨著熱噴涂材料研發(fā)的深入和熱噴涂設(shè)備的不斷推陳出新，熱噴涂技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展十分迅速。熱噴涂涂層因具有耐腐蝕、耐磨、抗高溫氧化、隔熱和封嚴(yán)等優(yōu)良性能，在航空航天、鋼鐵冶金、機(jī)械制造、紡織、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱噴涂技術(shù)同時(shí)兼具成本低，操作簡單，施工方便，不造成工件變形等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸被石油工業(yè)重視；被視為延長石油工業(yè)設(shè)備和部件的使用壽命、提高機(jī)械性能的一種重要手段[1-8]。

1熱噴涂修復(fù)

石油工業(yè)中的一些設(shè)備和部件，如柱塞、煙氣輪葉輪軸、轉(zhuǎn)子軸等工作一段時(shí)間后，由于長期受到高溫、高壓、腐蝕及固體顆粒沖擊等，這些腐蝕介質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)形成一系列化合物，使得設(shè)備和部件表面出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕和工作層剝落，影響這些設(shè)備和部件的正常運(yùn)行，如果更換新的設(shè)備和部件，一方面往往需要較長的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間，會(huì)對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)行造成影響；另一方面會(huì)使得設(shè)備和備件的使用壽命縮短，造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。為避免這種情況，石油工業(yè)企業(yè)針對(duì)設(shè)備和部件的服役環(huán)境，制定若干套解決方案，其中有些企業(yè)選擇了熱噴涂修復(fù)，取得了良好的效果。

1.1柱塞

柱塞長期在高溫、高壓的惡劣條件下運(yùn)行，介質(zhì)中含有較多顆粒，持續(xù)運(yùn)行15至20天后就可能發(fā)生失效，不能繼續(xù)運(yùn)行。柱塞表面可能出現(xiàn)磨粒磨損和粘著磨損，可采用電弧噴涂CS-T5(粉芯由Cr、Ni、Si、Mn等組成)涂層進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后柱塞表面沒有明顯的磨損和腐蝕，使用周期可以延長至45至50天，大幅節(jié)約了生產(chǎn)運(yùn)營成本。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，國內(nèi)某廠曾用電弧噴涂修復(fù)一個(gè)12噸重的柱塞，噴涂后采用封孔處理，使用性能接近新柱塞[9]。柱塞長期服役表面可能出現(xiàn)劃痕，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)某企業(yè)采用電弧噴涂進(jìn)行修復(fù)，使用的熱噴涂材料為3Cr13，本涂層特有的微孔可以具備很好的儲(chǔ)油功能，能夠充分潤滑主缸柱塞工作面。延長了柱塞的使用壽命[10]。

1.2軸類

壓縮機(jī)葉輪軸長期服役于煙氣中，表面可能出現(xiàn)多孔及疏松的腐蝕層。據(jù)報(bào)道，有些企業(yè)對(duì)葉輪軸進(jìn)行噴焊修復(fù)，采用的熱噴涂材料為Ni-Cr-B-Si系合金粉，對(duì)葉輪軸進(jìn)行機(jī)械加工處理，葉輪軸可與其他設(shè)備配合良好[11-13]。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸服役一段周期后表面會(huì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕，可對(duì)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行經(jīng)氧乙炔火焰噴涂處理，熱噴涂過程中未出現(xiàn)熱變形或應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)子軸經(jīng)熱噴涂處理后可正常使用[11]。

2熱噴涂防護(hù)

許多文獻(xiàn)表明，石油工業(yè)從業(yè)者已經(jīng)意識(shí)到熱噴涂技術(shù)對(duì)于設(shè)備和部件的重要性，不僅依靠熱噴涂修復(fù)來延長設(shè)備和部件的生命周期，更是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段引入熱噴涂技術(shù)對(duì)設(shè)備和部件進(jìn)行防護(hù)。

2.1輸油管道

輸油管道的服役環(huán)境復(fù)雜，長期經(jīng)受大氣腐蝕、海水、濕氣腐蝕等作用，服役一段時(shí)間后，表面會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)可能導(dǎo)致管道破裂，使得管道出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，輸油管道難以進(jìn)行后續(xù)修復(fù)。為了延長輸油管道的使用時(shí)間，據(jù)報(bào)道[14]，有些企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)采用電弧噴涂對(duì)輸油管道進(jìn)行修復(fù)，采用的熱噴涂材料為鋁粉末和鋅粉末。鋁涂層能在管道表面形成致密的氧化膜，而鋅涂層以“犧牲陽極”的方式對(duì)管道進(jìn)行防護(hù)[11]。

2.2硬密封球閥

硬密封球閥可應(yīng)用在工藝條件要求苛刻、介質(zhì)比較特殊的工業(yè)裝置上。服役環(huán)境包括水、蒸汽、油品和各種酸。球閥的主要失效形式是沖蝕磨損，目前球閥生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)對(duì)球閥進(jìn)行熱噴涂防護(hù)，熱噴涂材料包含WC-Co系類粉末，WC-CoCr粉末和NiCr-Cr3C2粉末。經(jīng)熱噴涂處理后，涂層與球閥基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)70MPa,涂層孔隙率低于2%,涂層的HV硬度可高于1200,熱噴涂處理可以顯著改善硬密封球閥的密封性，有效提高了球閥的使用壽命[15-16]。

2.3接箍

有桿泵是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的機(jī)械抽油方式。據(jù)報(bào)道，有桿泵70%的受損發(fā)生在接箍處。如因接箍受損而更換有桿泵，材料費(fèi)用將會(huì)達(dá)到數(shù)億元?？刹捎酶袘?yīng)重熔的方式對(duì)接箍進(jìn)行預(yù)處理，采用的熱噴涂材料主要是鎳基自熔性合金粉末，包括Ni60粉末系列，Ni55粉末等材料。重熔后接箍的耐磨、耐蝕性均得到提高，使用周期大幅增加[17]。

2.4高壓閘閥

高壓閘閥廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)，閘板和閥座是閘閥的重要組成部件，由于不斷承受外界的沖蝕與磨損，閘板和閥座表面使用一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)損傷，進(jìn)而影響閘閥的正常運(yùn)行。據(jù)報(bào)道，當(dāng)高壓工況低于100MPa時(shí)，企業(yè)可選擇氧乙炔火焰噴涂對(duì)閘板和閥座進(jìn)行加工表面防護(hù)，熱噴涂材料為鎳基自熔性合金粉末；當(dāng)高壓工況高于100MPa時(shí)，可采用超音速噴涂進(jìn)行表面防護(hù)，熱噴涂材料為WC-CoCr粉末，該涂層即使承受150MPa時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象[18]。

2.5抽油桿

抽油桿在石油工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，在油管中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)與油管摩擦可產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象。偏磨不僅降低抽油機(jī)的壽命、而且可能磨穿油管，有必要對(duì)抽油桿進(jìn)行減磨處理?？梢圆捎醚跻胰不鹧鎳娡刻幚?，熱噴涂材料為合金和石墨的混合粉末。由于石墨的自潤滑特性，抽油桿服役時(shí)，耐磨涂層僅受到輕微的磨削擦痕，有效的保護(hù)了抽油桿，延長了抽油桿的使用壽命[19]。

2.6鉆頭

鉆頭是重要的井下工具，石油工業(yè)中應(yīng)用較廣的鉆頭是PDC鉆頭，PDC鉆頭分為胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭，由于國產(chǎn)鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化質(zhì)量和耐沖蝕性能較差，影響了市場推廣?；谶@種局面，一些廠家對(duì)鋼體PDC鉆頭超音速噴涂防護(hù)處理，采用的熱噴涂材料為WC-Co系類，涂層的抗沖蝕能力較基材提高了7倍，且涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度高，能夠有效的延長鋼體PDC鉆頭的壽命，對(duì)于拓展PDC鋼體鉆頭的市場占有率有著積極意義[20]。

2.7漿料泵葉輪

漿料泵運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，服役時(shí)會(huì)受到酸堿介質(zhì)和固體顆粒的交替作用，葉輪的服役周期很短，最短的壽命僅為十幾天。長期作用后，葉輪表面受損，會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的魚鱗紋?？刹捎醚跻胰不鹧鎳娡炕蛘叩入x子噴涂處理來提高葉輪的抗耐磨和耐蝕性，采用的熱噴涂材料為高鉻鑄鐵。葉輪經(jīng)熱噴涂處理后，壽命可提高2至4倍[21]。

3結(jié)語

過去幾十年，熱噴涂技術(shù)廣泛地應(yīng)用到石油工業(yè)。熱噴涂技術(shù)可以增強(qiáng)設(shè)備和備件的耐磨和耐蝕能力，延長設(shè)備和備件的使用周期，為企業(yè)節(jié)約運(yùn)營成本。可以預(yù)見，隨著熱噴涂技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱噴涂技術(shù)在石油工業(yè)的應(yīng)用范圍將會(huì)不斷增大。

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作者：張康1,2 鮑君峰1,2 王夢雨1,2 單位：1.北京礦冶研究總院 2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心