表面电弧喷铝防腐技术研究与应用111

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表面电弧喷铝防腐技术的研究与应用刘华（胜利油田孤东采油厂）【摘要】孤东油川近海，空气湿度大、含盐量较高，锅炉等地面设备长期眾露在空气中，表面易于锈蚀。传统的防腐办法采用人工刷银粉漆，银粉附着力小，往往短时间内就会出现人而积脱落现象。针対孤东油川的特点,选用电弧喷涂铝涂层是最经济右效的力法。【主题词】电弧喷铝高温抗氧化腐蚀1喷涂工艺参数优化及涂层性能评价1.1试验材料由于20G低碳钢在油田的应用比较普遍，低碳钢的腐蚀也比鮫严重，所以本论文的所有试验基体材料都选用低碳钢。喷涂材料选用工业用纯铝，山于铝材的杂质含量対耐蚀性的影响较大，所以选用的纯铝丝材应严格控制杂质含量，试验中选用直径为2mm的L1铝丝，含铝量在99.7%以上。1.2涂层组织分析和质量评定1•2.1涂层厚度涂层厚度的测量，按照GBfT9793-1997和GB11374W9《热喷涂涂层厚度的无损测赧方法》进行。在试样表而选取十字交叉线交点以及四个端点作为测量点，将五点的厚度平均值作为涂层厚度。测量仪器是国产的CTG-10型涂层测厚仪，测量范围小于100pm时显示分辨率为O.lpm,测量范围人于100pm时显示分辨率为1pm。1.2.2涂层外观涂层外观按GB/T9793-1997第7章外观质量检查方法实施。涂层外观应均匀一致，无气孔或裸銘基体的斑点，没有未附着或附着不牢固的金屈熔融颗粒和影响涂层使川寿命及应川的一切缺陷。1.2.3涂层孔隙率热喷涂涂层是一多孔隙涂层，其孔隙率随热喷涂涂层材料和热喷涂技术而异，从低于2%到15%。多孔隙的热喷涂层中互联孔隙较多，这特别影响热喷涂涂层在服役条件下的行为，尤其是在腐蚀环境中的行为。因此，孔隙率是评价热喷涂涂层质量的一个重要性能指标。2铝涂层的组织结构和工艺参数的关系不同喷涂工艺参数卜•获得的三种涂层，其性能差别的主要原因对以从电弧喷涂涂层的形成机制來考虑。喷涂时，两根铝丝在送丝机构的推动卞于喷枪端部接触引燃电弧，铝丝被加热熔化形成熔滴；熔滴被喷枪内吹出的高压空气雾化成细小的熔融颗粒；接着在电弧力和雾化空气吹力的合力作用下被加速并向前飞行；撞击基体后在基体上铺展、粘结、冷却。山于铝是高热容材料，颗粒掾击基体后连续而稳定地流动形成薄饼形颗粒；无数扁平化的颗粒相互交错呈波浪式堆叠在一起，形成层状涂层。高温熔融颗粒在飞行过程中会受到空气的氧化，到达基体时，由于受到撞击力的作用，颗粒瞬间铺展，氧化膜破碎并拌启少最的颗粒飞溅，颗粒之间不可避免地存在一•些孔隙或空洞。因此，涂层主要由片状变形颗粒、气孔、氧化物和未变形颗粒所组成。涂层中颗粒与基体表而Z间的结合以及颗粒Z间的结合包括机械结合、冶金化学结合和物理结合，以机械结合为主。 3铝涂层在3.5%NaCI水溶液中的耐蚀性电弧喷涂铝及具合金涂层在人型钢结构长效防腐领域有着突出的优点，被认为是n前最经济、最有效的防护方法。铝涂层的防护作用主要基于隔离作用和阴极保护作用两个方面。铝的耐腐蚀性能主要取决于给定环境中铝表面上形成保护膜的稳定性。铝上的氧化膜是两性的，既溶解于非氧化性强酸，又可以溶解于碱中。铝涂层在水、大气中，以及大部分中性和许多弱酸性的溶液中具有较高的耐腐蚀性，因为铝在氧和氧化剂的存在下，容易生成保护性良好的膜，使铝处于钝态。当其受到损坏时，只要有足够的氧存在，氧化膜还可以“自愈”。这层氧化膜只有在卤素离子或碱离子的激烈作用卞才会受到破坏。在pH值为4〜9的范围内，氧化铝膜比较稳定，铝的腐蚀速度很小，基木稳定；当介质的pH值小于4或人于1（）时，氧化膜失稳受损，保护作用消失，铝的腐蚀加剧。当介质屮含有CT时可以导致点蚀。3.1铝涂层的腐蚀机理3.1.1铝涂层表面的均匀腐蚀铝涂层腐蚀前、后的表面SEM形貌如图3・1、3・2所示。铝涂层是宏观的均匀性和微观的不均匀的结合体，表面上涂层是大小均匀的颗粒陆续堆叠形成的连续、均匀、致密的层状涂层，然而放大Z后的微区观察却发现涂层表面粗糙，冇的颗粒带冇尖尖的倚角，局部还冇较深的孔隙，部分颗粒Z间的叠合并不紧密。因此，涂层表而的电化学性能并不均匀。铝涂层表面上的这些区域,在浸泡过程中首先发生腐蚀。由于这样的腐蚀微电池遍布于涂层表面，在宏观上对以视为均匀腐蚀。3.1.2铝涂层的局部腐蚀涂层初期的腐蚀主要是介质的不均匀性引起的。在涂层表面较人的微区缺陷（孔隙、蚀坑等）内部，由于几何形状的限制或腐蚀产物的覆盖，腐蚀介质的扩散受到了很人的限制，形成了局部平衡的“闭塞电池”（OccludedCell）,在闭塞电池内部的介质成分，与整体介质有很大差异，这种介质的不均匀性将会导致点蚀。在涂层表面由于氧的供应较充分，形成了钝态的AI2O3膜，成为大面积的阴极，发生耗氧的阴极反应。由于也消耗了FT,pH上升，略帯碱性，而电子e则来源于闭塞区内，发牛涂层铝颗粒溶解的阳极反应，而铝离子的水解使H+浓度增加，pH下降，为了保持电荷屮性，溶液屮的C「扩散进入闭塞区域，因而闭塞区域是受盐酸（HC1）的腐蚀。在大面积阴极-小面积阳极的组合下的盐酸腐蚀比较严重。所以，铝涂层在NaCl水溶液中，由于闭塞电池的作用,孔隙底部的pH值及02含最低，C「的浓度高，这与整体的化学介质有很人的差异。3.2工业用涂层的优选3.2.1三种涂层的耐蚀性比较III组试样试验室动态挂片模拟浸泡腐蚀试验的主要目的是定性地比较铝涂层、封孔铝涂层和有机防腐涂层的实际使用效果，作为丄程应用的参考。试验结果表明，在本次试验的模拟加速腐蚀条件下，各试样的腐蚀速度由大到小顺序为：JT*>ZP*>FP*>LP*>L*>F*=Z*。（其中L*、F*和Z*分别代表铝涂层、封孔铝涂层和有机防腐涂层，LP*、FP*、ZP*分别代表局部破坏的铝涂层、封孔铝涂层和有机防腐涂层，JT*代表不做任何处理的低碳钢）。涂层完好吋，在整个试验过程中，封孔铝涂层和有机防腐涂层没有发现可见的腐蚀，显示出极强的耐蚀性能；电弧喷涂铝涂层腐蚀后局部有点状的少量111锈，腐蚀速度很低；碳钢失去了表而预处理后的金属光泽，表而被大量的黑锈和红锈所覆盖，腐蚀速度极快。 实际T程应用中，采用封孔铝涂层或铝涂层比较合理、经济，可以节省人量的维修和维护费用，降低停产造成的损火；冇机防腐涂层由于存在易老化和牺牲阳极保护作用差的缺点，需要经常维护和重新涂刷，为设备防护的次优选择。3.2.2提高铝涂层耐蚀性的措施电弧喷涂铝涂层对钢铁构件的防腐作用主耍基于物理覆盖作用和牺牲阳极作用，涂层结合强度、孔隙率和材质均匀性等对耐蚀性有重要影响。所以，提高电弧喷涂铝涂层的耐蚀性，可以考虑以下儿个方面：(1)通过合金化或改进工艺降低涂层屮氧化物含量，减少合金元素的烧损，获得组织致密和结合强度高的涂层，提高涂层的密封效果。(2)采用与铝涂层高度相容的封闭材料，对涂层进行封闭处理，使涂层密封能力提高，从而耐蚀性提高。5结论本论文对电弧喷涂铝涂层的工艺参数进行了止交试验设计与优化，研究了电弧喷涂铝涂层的组织结构及其在模拟海水浸泡和空气氧化条件下的腐蚀行为，对腐蚀过程和腐蚀机制进行了探讨，最终证明铝涂层作为牺牲阳极，能够保护钢铁棊体免受腐蚀。