表面工程与石油工业

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1、引言   在石油工业中，钻井机械、石油管道、泵、阀、运输设备、储罐、大型反应器等大量的失效问题都是由于腐蚀、磨损造成的。最终后果是不仅造成了管道、储罐、钻杆、深井泵等设施的破坏和原油的泄漏等直接经济损失，而且还会引起火灾、爆炸等灾难性的事故，以至环境污染，停工停产等严重后果，极大地影响了安全生产和经济效益。   表面工程技术能够提高材料的表面性能，如耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。表面工程主要通过施加各种表面覆盖层技术形成涂层及用机械、物理、化学的方法进行表面改性。在石油工业中，大多数设备处在高温、腐蚀等恶劣环境下，表面工程显得尤为重要，其中热喷涂技术、涂料涂装技术、

2、化学镀以及激光表面处理技术已广泛应用于石油机械、输油管道以及海洋石油装备中，不仅可以用于修复零件，还可以延长使用寿命，改善综合性能，产生了巨大的经济效益。   据中原油田的一份报告分析，腐蚀每年给中原油田造成的直接经济损失就有4亿元，其中油管、抽油杆、泵等井下设施的更换每年约2.5亿，地面管线、联合站等地面设施的维修费用约1.5亿元。利用表面工程的技术手段对各种石油设备表面进行处理，改善材料的表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命，同时可以节约材料，创造出巨大的社会效益。目前，防腐蚀涂料及其施工技术、热喷涂技术、激光表面改性技术以及其他表面工程技术近年来已在油田

3、企业获得广泛应用。1  石油机械中的应用   石油机械主要涉及钻井、采油工程中所用的钻机、油泵、各种套管油管、抽油杆、钻头以及各种油田特车的机构零件。这些设备大多处在工矿条件恶劣的石油工程现场，许多金属零部件承受载荷并伴有腐蚀、磨损等，致使它们过早地发生失效破坏而缩短起使用寿命，停产检修或者更换新部件既增加了材料成本有影响油田生产，带来多方面的损失。下面就不同的表面处理技术应用做一些概述。1.1热喷涂技术及应用   热喷涂表面技术是采用气体、液体燃料或者电弧、等离子弧、激光等作为热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外

4、加高速气流雾化，是喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理和化学的变化，形成附着牢固的表面层的加工方法。热喷涂技术所具有的特点有工艺灵活、施工方便、适应性强、热喷涂厚度和工件受热程度可控、生产率高，它可以喷涂几乎所有的固体材料，而且喷涂种类多。1.1.1油田地面机械的应用   石油钻机等设备中的一些大功率的曲轴、油田使用的各种重型车辆、拖拉机、柴油机的曲轴等磨损后均可以采用热喷涂技术进行修复。如可采用电弧喷涂3Cr13涂层或等离子喷涂陶瓷涂层来修复，这样既可显著降低成本、又能延长设备的寿命，尤其是可有效地解决进口设备的修复问题，还可以采

5、用热喷涂方法恢复加工超差零部件或强化磨损件表层。   另外在石油机械中的阀座和轴类零件的磨损较严重，由于超音速火焰喷涂系统同时具有氧气助燃和空气助燃双重功能，产生涂层质量好，在制备的Co基WC涂层残余应力低、涂层厚度可达3mm，甚至更厚。所以涂层与基体的结合性能好，在承受重载的磨损件尺寸恢复中有较好的应用。1.1.2井下作业工具   油田使用的各类泵的柱塞、缸套、叶轮等零件均可以采用多种喷涂方法进行修复。如可采用超音速火焰喷涂WC-Co或等离子喷涂Al2O3等来修复和强化，也可采用电弧喷涂1Cr13钢丝进行修复。应用超音速火焰喷涂或塞杆WC涂层后，耐磨性大大提高，使

6、用寿命提高数倍。   抽油泵柱塞,目前国内对油井抽油泵柱塞加工的一般方法有：表面镀铬、化学镀镍-磷和表面喷焊镍基合金。热喷涂涂层作为一种新的处理方法已被用制造抽油泵柱塞，采用热喷涂在柱赛表面喷涂87%Al2O3+13%TiO2的陶瓷材料形成陶瓷涂层。用这种方法制造的抽油泵柱赛在含砂井中的运行时间可达两个月多，其寿命为传统工艺所制造柱塞两倍。   抽油杆采用热喷涂方法可以大大提高其使用寿命。20世纪70年代美国ICO公司研制成功金属与塑料复合喷涂抽油杆,它是在新的钢质抽油杆或经过探伤合格的旧钢质抽油杆表面喷涂一层316不锈钢粉末，然后再喷涂一层环氧树脂涂层。这种不锈钢

7、涂层具有良好的耐蚀性能，但是它是多孔的，不能单独使用。需要与其它粉末复合才能达到合适的效果。另外，还可以利用高速电弧喷涂。2000年北京刚石表面技术公司委托装甲兵工程学院试制了复合涂层防腐抽油杆，生产工艺为喷丸+高速电弧喷铝+喷环氧树脂基漆，形成的结构致密，结合强度高，孔隙率低，耐磨，抗冲击等性能。   钻头的制备，可以利用爆炸喷涂WC-17%Co涂层。这样的钻头具有抗磨损、抗腐蚀和抗冲蚀的能力，也可以采用等离子喷涂工艺在人造金刚石钻头表面制备复合合金涂层。1.2涂料涂层技术   涂料涂装技术在石油机械中的最主要的应用就是防腐保护，主要是对一些石油采储过程中的油