模擬油田井液環境中高速電弧噴涂涂層的腐蝕行為研究

陳健飛 陳麗娜 劉海波 伍文君

（中石化勝利油田技術檢測中心，山東 東營257000）

0 引言

量油分離器是油田開采的關鍵裝備，尤其是隨著油田進入特高含水期，其服役環境越來越嚴峻，腐蝕問題非常突出，目前有效的防腐措施是對量油分離器進行涂層處理，因此選用與量油分離器用材Q235鋼相匹配的涂層尤為重要。

選用電位比鋼鐵材料低的金屬或合金能使涂層具有陽極保護作用。Zn涂層是熱噴涂防腐技術中使用最早且最多的涂層材料，但Zn涂層的腐蝕產物會引起涂層起泡，降低涂層的附著力［1］。當涂層中Al含量為13%～35%時，Al－Zn合金涂層既具有純Zn涂層對鋼鐵基體的有效陽極保護且對裂紋和點腐蝕不敏感的特點，又因涂層中含有足夠的Al，能夠形成完整的Al2O3保護膜而耐環境腐蝕［2］。鈦金屬會在表面形成一層致密穩定的鈍化膜，在強腐蝕環境中顯示出優異的化學穩定性和較強的自鈍化能力，是優良的耐蝕材料。

考慮經濟因素，將Al、Ti結合，研究Al－Ti涂層的耐蝕性，比較3種涂層在不同環境下的耐蝕性，綜合開發一種長效、經濟、環保的鋼鐵結構防護涂料。

1 設備與試驗方法

1.1 噴涂設備與試樣制備

試驗所用的基體為Q235 鋼。噴涂鋁涂層前采用粒度為30目的剛玉砂進行噴砂處理，并用丙酮溶液清除表面的油污與粉塵，使鋼表面清潔。采用高速電弧噴涂機進行噴涂，電弧噴涂工藝參數如表1 所示。噴涂后，采用環氧樹脂進行封孔處理。

表1 電弧噴涂工藝參數

1.2 試驗方法

采用金相顯微鏡對涂層組織進行觀察，分析其結合方式。

高溫高壓腐蝕試驗：反應釜內溫度為（60±1.0）℃，試驗壓力1.6 MPa，將試樣表面完全浸泡在質量分數為3.5%的NaCl溶液中，觀察720h。在140h取出浸泡試樣進行金相分析。為了降低腐蝕產物對試驗的影響，需要保證溶液的量和試樣表面積的比例大于20mL∶1cm2。

電化學試驗：用M398電化學測試系統測量基體與涂層的極化曲線，采用傳統的三電極體系，試樣為工作電極。試驗前準備20mm×20mm 試樣，噴涂后露出測試面積為1cm2。工作電極和輔助電極經過活化處理后，立即放入電解池中，待電位穩定后分別測定涂層和基體的極化曲線。測試所用腐蝕介質為模擬油田量油分離器溶液，試驗溫度為25 ℃，選擇掃描速度為0.01V/min。

腐蝕掛片試驗采用密封體系。腐蝕介質選用3.5% NaCl水溶液，采用分析純NaCl和去離子水配置。浸泡試驗在控溫（40±1）℃下進行，控溫裝置采用電熱控溫水浴鍋。腐蝕試驗設備采用RCC－Ⅰ型旋轉掛片試驗儀。試驗試樣規格50mm×25mm×3mm。

2 試驗結果與分析

2.1 涂層組織與形貌

噴涂過程中，每個噴涂粒子經過與基體碰撞后都將發生扁平化，而形成一定形態的扁平粒子，涂層呈現由這些扁平粒子相互交錯堆疊而形成的組織結構。由于粒子表面存在一定的粗糙度，后續粒子對已沉積的粗糙表面的不完全填充會形成一定量的孔隙。

由于涂層是高熱容材料，顆粒撞擊基體后連續而穩定地流動形成薄餅形顆粒；無數扁平化的顆粒相互交錯呈波浪式堆疊在一起，形成層狀涂層。涂層的典型結構，從斷面觀察是變形顆粒堆積鑲嵌的層狀結構。通過形貌觀察（圖1、圖2、圖3）可知基體表面粗化的程度和涂層與之結合的狀態。高溫熔融顆粒在飛行過程中會受到空氣的氧化，到達基體時，由于受到撞擊力的作用，顆粒瞬間鋪展，氧化膜破碎并伴有少量的顆粒飛濺，顆粒之間不可避免地存在一些孔隙或空洞。從圖2中可以看出，涂層顆粒之間咬合緊密，有的顆粒連成了一體，可能是在撞擊力的作用下，沒有完全固化的顆粒之間發生了熔合。說明顆粒之間除了機械結合之外，還存在一定量的冶金結合，所以涂層的內聚強度較高。

圖1 Al涂層的金相形貌

圖2 Al－Ti涂層的金相形貌

圖3 Al－Zn涂層的金相形貌

涂層中顆粒與基體表面之間的結合以及顆粒之間的結合包括機械結合、冶金化學結合和物理結合，以機械結合為主。機械結合時會存在空隙，減小了結合強度。

2.2 高溫高壓掛片試驗

將熱噴涂的3種涂層和Q235鋼制作試塊，在靜態模擬井液中浸泡，直至試驗結束，測量數據，腐蝕時間為7天。

表2 不同涂層與基體的腐蝕速度

2.3 電化學試驗

除了鋁鈦涂層的自腐蝕電位比Q235鋼高一點外，其余涂層的自腐蝕電位較Q235鋼要小，適于作為基體的耐腐蝕保護材料，因為涂層腐蝕電位比基體的小，可以形成陽極保護［3］。鋁鈦涂層的自腐蝕電位雖然較Q235鋼的高，但鈦在腐蝕介質中能形成鈍化膜，阻礙腐蝕的進行，也適于作為防腐涂層。

涂層與基體的極化曲線如圖4所示，熱噴涂涂層的電化學參數如表3所示。

圖4 涂層與基體的極化曲線

表3 熱噴涂涂層的電化學參數

3 結論

（1）研究了鋁、鋁鈦、鋁鋅3種熱噴涂涂層的組織和性能，涂層中顆粒與基體表面之間的結合以及顆粒之間的結合包括機械結合、冶金化學結合和物理結合，以機械結合為主。

（2）通過高溫高壓試驗考察了3種涂層在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性，試驗結果表明，3種涂層有效提高了Q235鋼基體的耐蝕性能，對基體均能起到犧牲陽極的陰極保護作用。3種涂層中以鋁鋅涂層的耐蝕性最優。

（3）通過電化學試驗證明，3種涂層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕以活化溶解為主要機制，通過測試電化學參數，表明鋁鋅涂層優于其他涂層。

［1］黃鈺，程西云.電弧噴涂鋅鋁合金涂層的防腐機理和應用現狀［J］.熱加工工藝，2014（4）：9－11.

［2］Li H Y，Duan J Y，Wei D D.Comparison on corrosion behaviour of arc sprayed and zinc－rich coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2013，235：259－266.

［3］張鑒清，曹楚南.電化學阻抗譜方法研究評價有機涂層［J］.腐蝕與防護，1998，19（3）：99－104.