水下采油樹Xylan工藝的研究

許淑峰(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

在我國四大海區中，南海不僅海域遼闊，而且油氣資源豐富，開發潛力巨大，開發南海資源，對保障我國能源安全和維護國家海洋權利具有重要戰略意義[1]。而開采這些海底石油就必須要使用到大批的水下采油設備，其中水下采油樹是水下采油樹設備中的核心設備，為了保證采油樹設備的耐腐蝕性及密封性，Xylan涂層技術在水下采油樹得到了普遍應用，該涂層技術有效的保證了水下設備的防腐性能，并為實現采油樹的功能起到了關鍵的作用。

1 Xylan涂層測試技術要求

Xylan涂層是美國華福生產的一種涂料商標，是一種聚四佛乙烯(PTFE)防腐涂層，對金屬表面進行表面處理后，進行噴涂加工起到保護金屬的效果，在防海水腐蝕，抗化學品腐蝕，抗磨損等方面表現出色，是一種在耐磨損、不粘、耐高溫、持續性腐蝕環境中應用的保護微涂層，是一種采用磷化作為底涂、PTFE防腐涂層作為面涂的復合涂層。

Xylan涂層薄但是卻具有自潤的性能，特別適用于水下精密設備配合的表面防腐蝕。

磷化作為Xylan涂層的底涂，其性能的好壞直接決定了Xylan整體性能的優良，而在一般的Xylan涂層中，一般采用相對致密的鋅磷化作為底涂，故我們選擇鋅磷化+Xylan涂層作為研究對象，對Xylan涂層工藝的各個過程展開研究。

在Xylan系統涂層中，對于磷化未做明確規定，因此，使用了兩款磷化涂層做了對比研究，使用同樣的試塊進行同樣測試，并規定了如下技術要求，如表1所示。

在技術參數確定之后，針對整個涂層進行了分步驗證，同時分別在試塊和產品上進行試驗，以最終確認涂層的有效性。

2 試塊涂層測試

2.1 磷化涂層測試

根據本體的材質，選擇在和采油樹設備重要零件同種材質并同爐熱處理的QTC上切取規格分別為6 mm×75 mm×150 mm、3 mm×51mm×75 mm的試塊。

2.1.1 磷化液準備

(1)磷化液配比。首先準備兩種不同的磷化液，并且按照生產廠家的要求，將磷化液濃度配置到可接受范圍，并用滴定的方法進行測試確認，滴定實驗過程為，先取磷化溶液10 mL，再往里邊滴定三滴酚酞指示劑，然后用0.1N氫氧化鈉滴定直到顏色變紅為止，整個過程如下圖(圖1～圖3)所示。

表1 涂層技術參數要求

圖1 開始前

圖2 滴定過程中

圖3 滴定完成

滴定完成后，讀取氫氧化鈉消耗量，確定消耗量是否在范圍內。

(2)磷化液加溫 使用可控溫度加熱槽，按照廠家推介的磷化溫度值，將磷化液加溫到磷化的使用范圍內，如圖4所示。

圖4 使用可控加熱槽加熱磷化液

2.1.2 表調液準備

按照廠家推介的參數調配表調液，表調液呈透明狀白色乳濁液，表調液完成如圖5所示。

圖5 表調液準備

2.1.3 磷化預處理

脫油、除銹。脫油方面，使用清洗劑進行脫油，除銹方面使用噴砂的方式進行，噴砂完成后，使用粗糙度儀對2塊試板的表面進行粗糙度檢測，以確認試板的表面粗糙度符合工藝規程要求(要求為Ra 1.5～3.5 μm)，測試結果為1.6～3.1 μm，如圖6、圖7所示。

圖6 試塊打砂

圖7 試塊粗糙度檢測

2.1.4 表面活化

將試塊放至表調液中，活化試塊表面，以便磷化。

2.1.5 磷化

將試塊整個放至磷化液中10～20 min。

2.1.6 烘干

考慮到試板在磷化出來后，試板溫度較高，因此使用潔凈空氣將磷化完成的試板吹干即可。

2.1.7 磷化膜外觀檢測

試板磷化完成后，對試板的磷化層進行觀察，查看試板是否有色差、污漬等不良缺陷。

2.1.8 磷化膜重量檢測

按照ASTM B767[3]對2塊試板進行稱重測試，測試后結果分別為0.66 mg/cm2、1.90 mg/cm2，稱重過程如圖8～圖11所示。

圖8 測試前(試板1)

圖9 測試后(試板1)

圖10 測試前(試板2)

圖11 測試后(試板2)

2.1.9 磷化膜耐腐蝕檢測

按照ASTM B117[2]對試板進行鹽霧測試，將磷化完成的試塊放至鹽霧測試箱中進行鹽霧測試，測試結果如圖12和圖13所示，采用薄膜磷化層的試板明顯的生銹，而厚膜磷化層無銹蝕。

圖12 表面生銹

圖13 表面無銹蝕

2.1.1 0 橡皮檫測試

圖14 有少許脫落

圖15 無脫落

使用橡皮擦用約一公斤壓力在磷化膜表面進行擦拭10次，測試結果如圖14和圖15所示。通過進行兩種磷化液的實驗，按照表1的要求，確認膜厚薄的磷化液不能滿足公司要求，測試結果不合格。

2.2 試塊面涂試制及測試

磷化完成后，根據技術要求進行Xylan涂層的噴涂，由于涂層整體厚度較厚，為避免流掛，需進行二次噴涂。

2.2.1 一次噴涂

首先，對于磷化完成的試塊進行烘干處理，以避免磷化涂層表面有水分殘留，同時烘干的溫度不能太高，避免破壞磷化層，一般烘干溫度控制在100 ℃以下，如圖16和圖17所示。

圖16 試塊進爐

圖17 爐溫控制

試塊烘干后，將試塊隨爐冷卻，同時稍微留點余溫，以避免試塊水分的再次集聚，噴第一遍涂層，噴涂層時須均勻、不流掛，如圖18和圖19所示。

圖18 工件留有余溫

圖19 涂層噴涂

2.2.2 表干

在試塊第一次噴涂完成后，將試塊放進烘干爐進行第一次固化(表干)，為了保證第一次涂層與第二次涂層的結合力，故表干溫度會低于固化溫度，一般溫度設置在120 ℃左右即可，如圖20所示。

圖20 表干

2.2.3 二次噴涂及固化

在表干完成后，進行二次噴涂，同時控制總膜厚，以符合項目及公司要求，噴涂后進行固化，固化溫度為204 ℃，如圖21和圖22所示。在涂層完全固化后，對試塊進行了相應檢測。

圖21 二次噴涂

圖22 固化過程

2.2.4 百格測試

按照ISO 2409[4]對固化完成的試塊進行附著力測試，測試結果為0級，如圖23所示。

圖23 百格測試

2.2.5 膜厚測試

按ASTM D1186[5]使用測厚儀對涂層厚度進行測量，測量出厚度為30 μm，如圖24所示。

圖24 膜厚測試

2.2.6 固化測試

按ASTM D5402[6]對固化完成的試塊進行測試，測試結果為涂層無損并沒有任何褪色，如圖25所示。

圖25 固化測試

2.2.7 鹽霧測試

將固化完成的試塊放進鹽霧測試箱，按照ASTM B117[2]進行測試，如圖26所示，測試時間為1 500 h，測試結果為：經過1 500 h測試后，涂層未生銹，按照表1的要求，測試合格。

圖26 鹽霧測試

3 產品試制

3.1 小工件涂層測試

根據Xylan涂層的測試結果，接下來進行產品試生產，首先選擇了一個多孔小工件進行試生產。同時，生產過程完全按照試塊實驗時的過程一樣，生產結果如圖27所示。

圖27 涂層完成

3.1.1 出現的問題

產品涂層完成后，出現如下問題：產品整體涂層均勻，不過表面整體泛黃，同時工件表面不光滑。

3.1.2 原因分析

在經過仔細分析、比對后發現：Xylan原料產地有兩種，雖然都是1424黃色，但是產品不同，涂層有所差異，原產地在歐洲的涂料偏水性，原產地在美洲的偏油性，出現的涂層差異很有可能是涂料原產地不同所引起。

3.1.3 應對措施

在得出以上結論后，重新采用此工件，采用原產于美洲的涂料進行涂層，涂層完成后如圖28所示。

涂層整體光滑、明亮，在工件與工件同時進行涂層的試塊上進行測試，測試結果如下：

附著力測試： 由于在產品上測試無法用百格的方法進行確認，故我們使用了固化測試及膠帶測試，膠帶測試是根據ISO 2409[4]使用3M膠帶在產品上測試，測試結果，無脫落。

圖28 更換涂料后涂層

固化測試：在產品上進行固化測試，測試結果為輕微掉色，如圖29所示，符合要求。至此，按照表1技術要求，小工件涂層測試取得成功。

圖29 產品固化測試

3.2 大工件涂層試制

經過小件多孔工件的試生產，決定使用大工件進行再次驗證，驗證小工件與大工件是否同樣可行，準備了最大的工件，采油樹本體，此工件重達5 t，長度近2 m，生產過程與試板及小工件完全相同，包括磷化前表面粗糙度、磷化溫度、打砂完成后到磷化的時間間隔、Xylan表干及固化溫度等，實驗結果如圖30所示。

圖30 本體試生產

3.2.1 產品在涂層中遇到的問題

經檢測，發現在頭部上方，發現有大面積的黑疤，黑疤呈水集聚狀，而這種缺陷在涂層中是不允許存在的，不滿足表1的技術要求。

3.2.2 原因分析

經過大部件涂層失敗的過程后，仔細的尋找原因，比對了和小部件生產的過程差異，造成涂層失敗的原因如下：

(1)在涂層固話過程中，從黑疤的形狀來看，明顯有大量的水汽聚集，分析是否采用的煤氣爐在加熱過程中的急速升溫造成了煤氣燃燒后的水汽在工件表面堆積。

(2)涂層過程中，涂層厚度的存在不均勻現象，可能會造成此問題。

3.2.3 應對措施

針對出現的問題，采取了以下方案予以逐步認證：

(1)在產品噴涂過程中，噴涂完成后，對工件的涂層厚度進行全面檢查，以確保涂層厚度的均勻。

(2)在涂層固化的過程中，首先以通常使用的加熱速度進行加熱，并設立中間溫度控制點，到了溫度后，開爐進行確認，是否存在水汽在工件表面停留的現象。

磷化完成后，按照涂層工藝進行涂層噴涂，在噴涂完成后進行膜厚測量，發現膜厚均勻，誤差非常小，3次膜厚測量值如圖31、圖32、圖33所示。

圖31 膜厚測量值1

圖32 膜厚測量值2

圖33 膜厚測量值3

在涂層完成后，將工件放進加熱爐時，采用階梯加熱模式進行加熱，最終，加熱完成后，形成的固化涂層如圖34所示。

圖34 涂層黑疤

經過測試發現，黑疤有所減少，不過還是存在，因此，黑疤的根本性問題不在加熱爐，轉而將注意力集中在了磷化缺陷上，認為產品體積過大，很容易造成磷化缺陷，致使最終涂層的時候產生黑疤缺陷；

針對此問題，采用工件緩慢出水，同時采用多槍頭清洗，避免磷化產生的雜質在工件表面停留的手段進行驗證；

在完成了準備后，第三次對工件進行了認證，并在上述可能產生問題的點進行了把控，磷化完成后，外表面成形如圖35所示。

圖35 本體磷化完成

磷化完成后，本體表面磷化膜均勻且完整，無缺陷；之后，再次進行了涂層噴涂并固化，固化完成后，2個不同角度觀察涂層表面成形如圖36所示。

圖36 涂層表面成形

固化完成后，零件表面黑疤已經完全消失，大件涂層完全滿足表1的技術要求，大工件涂層測試取得了圓滿成功。

4 結語

經過從試塊摸底，到小零件測試，再到大零件測試，遇到了許多問題并針對性的采取了措施，歸納總結如表2所示。

表2 出現的問題及應對措施

工件的大小對于涂層的施工會造成不同的影響，帶來不同的難度，但是最終還是磷化底涂的質量對Xylan涂層的質量起了決定性的影響，通過測試，成功的解決了大小工件在涂層過程中遇到的問題，穩定并提高了產品的質量，為整套采油樹設備的高質量制造奠定了堅實的基礎。