粉末噴涂技術在防腐油管上的應用

崔 奮,楊衛星,王國正,劉延成,張朋舉,劉洪錄,王斌林

(1.西安交通大學,西安 710049;2.吐哈油田公司 機械廠,新疆 哈密 839009)

粉末噴涂技術在防腐油管上的應用

崔 奮1,2,楊衛星2,王國正1,2,劉延成2,張朋舉2,劉洪錄2,王斌林2

(1.西安交通大學,西安 710049;2.吐哈油田公司 機械廠,新疆 哈密 839009)

通過對油井管腐蝕機理及防腐現狀進行研究,分析了吐哈油田公司機械廠現有粉末噴涂防腐油管生產線存在的問題,綜合比較了目前油井管防腐技術,提出了對生產線進行技術升級的方案。該生產線建成后,產品質量有保證,安全環保有保障,降低了生產成本。

油管;防腐;噴涂;粉末

注水井中油管的嚴重腐蝕[1]日益引起油田和防腐界的高度重視。我國很多油田已進入開發中后期,各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量,提高產液量,從而達到穩產增產的目的。注水井管柱腐蝕直接影響著油田的原油生產,嚴重的管柱腐蝕在幾個月內即造成管柱失效[2],如果防腐得當,可以挽回30%～40%的腐蝕損失,因此油管的有效防腐是油田一項重要的工作。

吐哈油田公司機械廠生產的噴涂防腐油管[3]就是油管防腐的一種形式,該產品以其高質量、高品質和高性能的特點備受各大油田的青睞,廣泛應用于各類油井和注水井[4]。每年在青海油田的保底用量為1 000 t左右,在其他油田也有相當大的用量。但是隨著年限的增加,生產線暴露合格率低和成本高的問題,為此,對原有防腐技術進行升級或引進其他防腐技術,以維持現有產品市場占有量,為油田的上產作貢獻。

1 靜電粉末噴涂技術研究

靜電粉末噴涂[5]是根據傳統的噴涂和靜電效應相結合的一項技術,具有防治環境污染、效率高等特點,并且經濟效益較好,因而得到了廣泛的應用并獲得了迅速的發展。

1.1 靜電粉末噴涂原理

a) 高壓靜電發生器作為電場源,利用噴粉槍的放電針產生尖端放電,使噴槍到被噴工件之間周圍的空氣電離形成離子區域;粉末在供粉器中與空氣流混合后,在壓縮空氣吸引下經噴槍使其霧化,并通過空氣離子區域,使中性的粉末微粒捕集到大量的電子而變成帶負電,這時在靜電力作用下,與帶正電荷的工件相吸,這樣粉末就被吸附到工件表面上了。該過程為靜電粉末噴涂的第1階段——粉末帶電(如圖1)。

圖1 粉末帶電原理

b) 粉末材料往往是絕緣的,它所帶的電荷除緊靠工件表面部分由于接地放電中和之外,其余堆積起來的粉末就不易中和。因此,當噴上去的粉末越多,則粉末電荷的積累也越多,負電荷的不斷增多導致同性相斥作用的發生。由于同性相斥力的增大,致使粉末在被噴工件上達到一定厚度之后,就不再繼續上粉。該過程為靜電粉末噴涂的第2階段——粉末吸附(如圖2)。

圖2 粉末吸附原理

圖3 粉末固化原理

1.2 影響粉末靜電噴涂的因素

1.2.1 噴涂電壓

粉末噴涂電壓對于粉末在工件上的吸附量有較大的影響,一般電壓增加,電場強度增加,粉末帶電量越多,沉積效率越高。粉末粒子所帶電量公式為

式中,ε0為真空介電常數;εr為粉末粒子的介電常數;r為粉末粒子半徑;E為作用于粉末粒子的電場強度。

從上式不難看出,若想提高Q,只有提高r和E。而粉末半徑不能太大,因此只能增加電場強度來增大粒子帶電量。但是,并不是無限增大電場強度(即提高靜電發生器的電壓),粉末粒子帶電量越大,沉積效率就越高。若電場強度過大,會產生反電離現象,而使涂層的厚度降低。電場強度與沉積效率的關系如圖4。

圖4 沉積效率與平均電場強度的關系

由圖4可以看出,電場強度較低時,沉積效率就能達到飽和,飽和后再增加電場強度,沉積效率增強很少。根據試驗,控制靜電發生器的電壓在60～80 kV為宜,能夠得到良好的沉積效率。

1.2.2 噴涂距離

粉末噴槍與工件的距離主要影響涂層厚度,由于噴槍與工件距離的改變對涂層厚度極限值的影響特別敏感,通常增加距離,涂層厚度會減少。

根據電場強度和電壓可計算出合適的距離,一般噴槍與工件的距離為150～250 mm,可以得到很好的噴涂效果。

1.2.3 粉末特性

隨著當今社會的迅猛發展,各種各樣的粉末應運而生,同樣的粉末配備不同的固化劑,就成為2種截然不同的粉末,它們的特性和性能各不一樣,如表1。例如,有的粉末固化時間需要30 min,而有的粉末固化時間卻只要3 min。

表1 不同固化劑的粉末特性表

從對粉末的調研來看,具有同種性能指標的涂層,國外粉末的價格是國產粉末的2倍。國外粉末要求的工藝是長時間固化,而國內粉末要求的工藝是短時間的固化和強冷硬化。這2種工藝是截然相反的工藝,所以選擇粉末是噴涂工藝的關鍵,要因地制宜。粉末材料不一樣,對于所需噴涂電壓、噴涂距離也是不一樣的。

基于南充市下轄景區為例，設計了旅游景區可達性模型，并依據現有數據對景區可達性進行測算，研究大數據背景下旅游景區交通可達性對景區旅游帶來的影響。研究表明，旅游景區交通可達性對景區旅游具有正向刺激作用，而區域經濟發展水平以及景區知名度對各旅游景區以及南充市景區的整體交通網絡可達性指數影響較大。基于此，提出了加快基礎設施建設提升交通運輸服務質量、設計合理旅游路線優化旅游產品結構以及推進區域旅游合作機制建設等景區可達性優化建議，從而促進南充市旅游產業的發展。

1.2.4 粉末粒子的電阻率

為使粉末粒子良好帶電,不同電阻率的粉末粒子所使用的靜電電壓是不一樣的。不同電阻率的粉末與靜電電壓值關系的試驗結果如圖5。

由圖5可知,當粉末電阻率在1012Ω·m時,靜電電壓為40 kV就能使粉末粒子良好帶電,而粉末電阻率在108Ω·m時,則要施加90 kV的靜電電壓才能得到良好的帶電效果。因此,選擇電阻率高的粉末,才能提高沉積效率。

1.3 生產線工藝要求

通過對生產線3個關鍵工序(內除銹、外除銹和內外噴涂)進行調查研究,有如下要求。

a) 內外除銹[6]的工藝要求 去除油管外壁的氧化層,露出金屬本體,同時保證除銹等級達到Sa2.5級,粗糙度達到Rz=50μm±10μm。調查結果是除銹等級和粗糙度都能夠達到工藝要求。

b) 內外噴涂的工藝要求 用高壓靜電的方式將環氧樹脂粉末噴涂到油管內外表面,使環氧樹脂粉末熔化并粘附到油管管體表面,同時保證涂層厚度為100～200μm。調查結果是內涂層厚度為75～170μm,外涂層厚度為100～200μm,內涂層未達到工藝要求。造成這一原因是:?73.025 mm(2英寸)油管內徑為?62 mm,無法滿足噴槍與工件150～250 mm的距離。并且也無法滿足控制靜電發生器的電壓在60～80 kV,否則涂層發生電離,降低了涂層的沉積率。

2 生產線升級

通過對現有技術和現有問題的研究,進一步提升工藝和裝備,選擇最合適的涂料,對原有生產線進行技術升級。

a) 引進摩擦靜電噴涂技術進行內噴涂,解決了現有噴槍與工件的距離無法滿足150～250 mm的問題,以提高粒子的帶電量,增大油管內表面粉末的沉積率。摩擦靜電噴涂是以創新的摩擦荷電技術為理論指導,采用電陰性材料(聚乙烯、聚四氟乙烯等)作為槍體材料。當空氣與粉末混合后進入噴槍槍體的管道與槍管壁發生碰撞后,粉末帶上電荷,這樣粉末就被吸附到工件表面上了,直到達到一定厚度,最后進行熔融固化。

摩擦靜電噴涂的特點為:①無電場空間,容易克服法拉第效應;②不受電壓控制,容易噴厚涂層;③對復雜工件有很好的效果;④可適用于慢線速的噴涂。

b) 對噴涂設備進行技術改造,能適應2種不同工藝的實施,以保證國外粉末的正常生產和國內粉末的試驗,國內粉末試驗的成功可以大大降低生產成本。根據調研和分析,國內粉末的工藝如圖6,國外粉末的工藝如圖7。

圖6 國產粉末噴涂工藝

圖7 國外粉末噴涂工藝

根據國產粉末和國外粉末的噴涂工藝特性,采取對生產線噴涂工序進行改造,改造后油管進行內外噴涂后,馬上到達12 m的水噴淋段,3 m的固化段可以任意放置在水噴淋段的某一位置。當生產線利用國外粉末時,油管噴涂后馬上進行固化保持一段時間,水噴淋關閉;當生產線利用國內粉末時,油管噴涂后馬上進行水噴淋,固化段移走。從而達到國內粉末和國外粉末都可以在該生產線上生產。

c) 3種污染嚴重的設備都配備多級除塵系統,以消除生產作業空間的粉塵污染,消除粉塵對產品質量的影響,改善工作環境,保護操作人員的身心健康。內外除銹設備配套的除塵系統是采用二級除塵系統,即:旋風回收器和布袋除塵器,可以有效地減少在拋丸和噴砂過程中出現的銹粉和鋼粉。內外噴涂設備配套的除塵系統是采用三級除塵系統,即:濾芯過濾器、旋風回收器和布袋除塵器,可以有效避免噴涂過程中出現的飛揚粉末,并且大大提高了粉末的利用率,利用率可達到95%以上。

生產線建成后,可以改善工作環境,增加安全強度,降低環境污染;保證產品質量,降低生產成本,滿足用戶需求。

3 結論

1) 對于油井管的防腐,靜電粉末噴涂技術相對于其他防腐技術有一系列的優點:生產工藝簡單、產品質量穩定、投資小、污染小。因此,靜電粉末噴涂技術被廣泛應用在油井管的防腐上。

2) 管徑小的內壁噴涂采用摩擦靜電技術,可以有效提高粉末的沉積率,增加涂層厚度;可以避免高壓發生源和粉末著火的危險。

3) 高壓靜電噴涂的噴涂電壓為60～80 kV,噴涂距離為150～250 mm,可以得到較好的沉積效率,涂層性能好。

4) 國產粉末的應用可以大幅降低生產成本。

[1] 史春軒,趙中華,張新杰,等.注水井管柱腐蝕分析及防護措施的應用[J].石油礦場機械,2006,35(3):87-89.

[2] 孫 粲,謝發勤,田 偉,等.油管鋼的 CO2和 H2S腐蝕及防護技術研究進展[J].石油礦場機械,2009,38(5):55-61.

[3] 翁永基.材料腐蝕通論[M].北京:石油工業出版社,2004.

[4] 萬仁溥.采油工程手冊[M].北京:石油工業出版社,2000.

[5] 李誠銘.噴涂新工藝新技術及噴涂設備應用實務全書[M].北京:中國知識出版社,2006.

[6] 周 良.噴丸、噴涂技術及裝備[M].北京:化學工業出版社,2008.

TE931.2

A

1001-3482(2010)06-0076-04

2009-11-10

崔 奮(1971-),男,河南鄧州人,高級工程師,2003年畢業于清華大學材料加工工程專業,主要從事石油機械加工方面的研究和管理工作,E-mail:cuif@petrochina.com.cn。