石油工業(yè)熱噴涂技術分析

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

關鍵詞：熱噴涂；修復；防護；石油工業(yè)

我國對于石油以及相關化工產(chǎn)品的需求量很大。石油工業(yè)中很多設備和備件長期在水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等腐蝕環(huán)境下進行服役，承受化學腐蝕和機械磨損的雙重作用。據(jù)不完全統(tǒng)計表明，因化學腐蝕和機械磨損造成的損失可占到石油工業(yè)產(chǎn)值的5%，年累計損失可超過十億元，給國民經(jīng)濟帶來巨大的經(jīng)濟損失。近些年隨著熱噴涂材料研發(fā)的深入和熱噴涂設備的不斷推陳出新，熱噴涂技術在國內(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、隔熱和封嚴等優(yōu)良性能，在航空航天、鋼鐵冶金、機械制造、紡織、汽車等領域得到廣泛應用。熱噴涂技術同時兼具成本低，操作簡單，施工方便，不造成工件變形等諸多優(yōu)點，逐漸被石油工業(yè)重視；被視為延長石油工業(yè)設備和部件的使用壽命、提高機械性能的一種重要手段[1-8]。

1熱噴涂修復

石油工業(yè)中的一些設備和部件，如柱塞、煙氣輪葉輪軸、轉(zhuǎn)子軸等工作一段時間后，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)通過化學反應形成一系列化合物，使得設備和部件表面出現(xiàn)嚴重腐蝕和工作層剝落，影響這些設備和部件的正常運行，如果更換新的設備和部件，一方面往往需要較長的設計和生產(chǎn)時間，會對企業(yè)的正常生產(chǎn)運行造成影響；另一方面會使得設備和備件的使用壽命縮短，造成經(jīng)濟上的巨大損失。為避免這種情況，石油工業(yè)企業(yè)針對設備和部件的服役環(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，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行，介質(zhì)中含有較多顆粒，持續(xù)運行15至20天后就可能發(fā)生失效，不能繼續(xù)運行。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)涂層進行修復，修復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)運營成本。據(jù)文獻報道，國內(nèi)某廠曾用電弧噴涂修復一個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，嚴重時可能出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。據(jù)報道，國內(nèi)某企業(yè)采用電弧噴涂進行修復，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)報道，有些企業(yè)對葉輪軸進行噴焊修復，采用的熱噴涂材料為Ni-Cr-B-Si系合金粉，對葉輪軸進行機械加工處理，葉輪軸可與其他設備配合良好[11-13]。汽輪機的轉(zhuǎn)子軸服役一段周期后表面會發(fā)現(xiàn)點蝕，可對轉(zhuǎn)子軸進行經(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

許多文獻表明，石油工業(yè)從業(yè)者已經(jīng)意識到熱噴涂技術對于設備和部件的重要性，不僅依靠熱噴涂修復來延長設備和部件的生命周期，更是在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)階段引入熱噴涂技術對設備和部件進行防護。

2.1輸油管道

輸油管道的服役環(huán)境復雜，長期經(jīng)受大氣腐蝕、海水、濕氣腐蝕等作用，服役一段時間后，表面會出現(xiàn)明顯的腐蝕斑點，這些斑點可能導致管道破裂，使得管道出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，輸油管道難以進行后續(xù)修復。為了延長輸油管道的使用時間，據(jù)報道[14]，有些企業(yè)在生產(chǎn)時采用電弧噴涂對輸油管道進行修復，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”的方式對管道進行防護[11]。

2.2硬密封球閥

硬密封球閥可應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)都會對球閥進行熱噴涂防護，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合強度可達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)應用最廣泛的機械抽油方式。據(jù)報道，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，材料費用將會達到數(shù)億元?？刹捎酶袘厝鄣姆绞綄庸窟M行預處理，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間后就會出現(xiàn)損傷，進而影響閘閥的正常運行。據(jù)報道，當高壓工況低于100MPa時，企業(yè)可選擇氧乙炔火焰噴涂對閘板和閥座進行加工表面防護，熱噴涂材料為鎳基自熔性合金粉末；當高壓工況高于100MPa時，可采用超音速噴涂進行表面防護，熱噴涂材料為WC-CoCr粉末，該涂層即使承受150MPa時也不會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象[18]。

2.5抽油桿

抽油桿在石油工業(yè)中應用非常廣泛，在油管中上下往復運動會與油管摩擦可產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象。偏磨不僅降低抽油機的壽命、而且可能磨穿油管，有必要對抽油桿進行減磨處理?？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，耐磨涂層僅受到輕微的磨削擦痕，有效的保護了抽油桿，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鉆頭表面強化質(zhì)量和耐沖蝕性能較差，影響了市場推廣。基于這種局面，一些廠家對鋼體PDC鉆頭超音速噴涂防護處理，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，且涂層與基材結合強度高，能夠有效的延長鋼體PDC鉆頭的壽命，對于拓展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

漿料泵運行環(huán)境復雜，服役時會受到酸堿介質(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，會出現(xiàn)不規(guī)則的魚鱗紋。可采用氧乙炔火焰噴涂或者等離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結語

過去幾十年，熱噴涂技術廣泛地應用到石油工業(yè)。熱噴涂技術可以增強設備和備件的耐磨和耐蝕能力，延長設備和備件的使用周期，為企業(yè)節(jié)約運營成本?？梢灶A見，隨著熱噴涂技術的不斷進步，熱噴涂技術在石油工業(yè)的應用范圍將會不斷增大。

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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)部件表面強化與修復工程技術研究中心