油管离子渗氮方法及防腐耐磨性能分析.doc

油管离子渗氮方法及防腐耐磨性能分析Research on Oil Pipelines Corrosion and Wear Resistance Property by Plasma Nitriding Method傅乐荣1 牛君2 左治江1（1江汉大学机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056；2大安恒锐采油设备有限公司，吉林 大安 131322）School of Mechanical-electrical & Architecture Engineering, Jiang Han University, Wuhan, 430056Daan Hengrui Oil Equipment Co., Ltd.摘要对油管内壁进行离子渗氮以提高其使用寿命，是一种国内外还未用于油管批量生产的新工艺方法，本文介绍了油管离子渗氮的基本原理和工艺，对离子渗氮油管的耐磨性和耐腐蚀性能进行了测试，结果表明，离子渗氮油管不仅具有高的耐磨性，还提高了油管的耐腐蚀能力。Abstract：Plasma nitriding oil pipelines inner wall could increase its service life, which is a new process method that didnt apply to batch production in domestic and foreign at present. This paper introduced the basic principle and technology of plasma nitriding process. The wear resistance and corrosion resistance were tested after plasma nitriding treatment. The results showed that plasma nitriding oil pipelines not only had high wear resistance, but also improved the tubing corrosion resistance.关键词 油管 离子渗氮 耐磨性 耐腐蚀性能Key words：oil pipelines；Plasma nitriding ；wear resistance； corrosion resistance中图分类号 文献标识码课题项目本文系武汉市科技攻关项目“大装炉量油管内壁离子渗氮工艺分析与设备研制”（项目编号：201010621230）的研究成果利用大型卧式油管离子渗氮专用设备，对油管进行离子渗氮处理，其内壁表层获得了较为均匀的渗层，表面硬度达到550Hv，实际使用寿命提高了3倍以上1。作为提高油管寿命的新工艺，与其它方法相比，离子渗氮的突出优点是，同时提高了油管内壁的耐磨性和耐腐蚀性能，并且渗氮层不剥落，使用安全可靠，离子渗氮油管在降低生产成本、延长油井免修期方面具有明显的优势，其性价比远远优于现有的所有油管。本文介绍油管离子渗氮工艺并对离子渗氮后油管的耐磨性、耐腐蚀性的试验结果进行简要的讨论。1油管离子渗氮方法本文研究的油管采用J55钢管，油管长9600mm，外径73.02mm，壁厚5.51mm。离子渗氮设备为自行研制的超大型卧式油管离子渗氮专用炉（见图1），装炉量为64根油管。由于油管形状特殊，属于超细长形金属管，其长径比（油管长度与外径之比）超过150。如果采用普通离子渗氮方法，即炉体接电源正极，油管接电源负极，则由于存在“无限长管电场屏蔽”现象，油管内无电场或电场很弱，不能提供轰击工件的氮离子和氢离子，因而达不到使油管内壁渗氮的目的。资料2表明，采用普通离子渗氮方法对细长金属管内壁进行离子渗氮，其长径比大于15，其渗氮效果明显下降。解决这个问题的关键就是要保证油管内存在足够高且均匀的电场。为此，在设计离子渗氮设备时，采用了“独立阳极”结构，即在每根被处理油管中增设贯穿其中的金属棒作为阳极，从而使油管内壁能进行有效的离子渗氮。油管离子渗氮装置示意图见图2。图2 油管离子渗氮示意图1热电偶；2炉体；3油管；4独立阳极；5流量计；6渗氮气源；7真空计；8可调脉冲电源；9真空泵图1 油管离子渗氮专用炉离子渗氮主要工艺参数为：炉压120Pa；温度（550570）；保温时间6h；渗氮气源为氨气。2材料成分和试样制作方法 2.1 材料成分J55油管材料的化学成分如表1所示，该钢具有良好的综合力学性能。合金元素Si、Mn起到强化基体的作用，少量的Al起到细化晶粒的作用。根据美国石油学会标准（API SPEC 5CT）规定，J55油管的力学性能为：b517MPa,s(379552)MPa。表1 J55油管材料化学成分元素CSiMnSPCrNiCuAl含量（质量分数，%）0.340.390.200.351.251.500.0150.0200.150.200.200.010.052.2 试样制作方法油管长9600mm，为了检测内壁离子渗氮效果，沿油管轴向等距离截取6个小圆环，再用线切割方法加工成矩形试样，依次编号为1、2、3、4、5、6号试样。3耐磨性分析磨损是造成油管失效的重要因素之一。油管内壁的磨损主要来自于原油的冲刷和抽油杆的摩擦，其中后者对油管磨损影响更大。一般来说，油井不可能与海平面完全垂直，存在一定的偏角，而有时为了便于集中管理，有许多平台井，抽油机在一个平台上，而油井走向各不相同（斜井），因而油管在油井中也同样会有这样一个偏角。这样抽油机在工作中，抽油杆就不可避免地与油管内壁发生相对摩擦，在报废的油管中能直观地看到偏磨的痕迹，如图3所示。对经离子渗氮后的试样进行磨损试验，并以未经离子渗氮的试样进行对比，分析离子渗氮对提高油管耐磨性的效果。选用MMW-1A型万能磨损机，分别将16号试样和未经离子渗氮处理的对比试样进行磨损试验。试验条件为：摩擦副材料为GCr15（硬度60HRC），图3 油管偏麿痕迹载荷200N，转速120r/min，试验温度25，试验时间30min。3.1 磨损量比较7个试样在磨损试验前进行清洗烘干后用分析天平称重，磨损试验后再对试样进行清洗烘干并称重，得到如表2所示磨损质量损失数据。因为7个试样尺寸完全相同，因而可以根据磨损质量损失作为评价各试样耐磨性的参考数据。表2 磨损试验试样质量损失数据试样号123456未渗氮磨损量（mg）0. 050. 060. 070.080.060.060. 15从实验数据可知，经离子渗氮后的试样，其耐磨性明显高于未渗氮的试样。根据油管材料化学成分可知，离子渗氮层组织以（Fe4N）相为主，并含少量的+（Fe23N）相，由于渗层致密，硬度较高，因此具有良好的耐麿性3。从表2还可发现，经离子渗氮的6个试样中，位于油管两端的1号、2号试样和5号、6号试样，其耐麿性比位于油管中间部位的3号、4号试样略高，这与文献1中所述的油管内壁硬度分布规律相吻合，这说明油管的耐磨性与其硬度关系密切。3.2 摩擦系数比较图4为1号试样和未处理试样在相同条件下摩擦磨损试验的摩擦系数时间温度曲线，从图中可看出，渗氮试样的摩擦系数低于未渗氮试样的摩擦系数，同样说明渗氮试样抗摩擦磨损能力高于未渗氮试样。有研究表明，N离子注入金属材料提高其耐磨性的主要原因，是氮离子趋于优先占据某些类型的点阵，尤其是集中于近表面的位错上，从而提高了金属材料抗摩擦磨损能力4。图4 摩擦系数时间温度曲线a) 1号试样b) 未渗氮试样a)b)4.耐腐蚀性能分析腐蚀是影响油管使用寿命的另一个重要因素。油管腐蚀的主要形式是微电池腐蚀4。油井中含有大量的H2S、CO2等气体，它们和水一起成为电介质，使油管发生电化学腐蚀。另外，国内有不少油井，采用注入各种聚油的方法，用聚油中的化学药剂将油液“洗”出来，无形中加大了井液对油管的腐蚀。油管经离子渗氮后，其表面形成、相，组织致密，且本身电极电位比较高，因而具有好的耐腐蚀性能。对离子渗氮试样和未渗氮试样进行耐腐蚀性能测试，并比较试验结果。试验装置为QYW090型盐雾腐蚀试验箱采用中性盐雾试验(NSS)，试验条件为：氯化钠溶液浓度为5%， pH=6572，喷雾压力为67180 kPa，试验温度(35士1)，连续喷雾24 h。4.1 产生锈斑时间比较选取1号试样、3号试样和未渗氮试样，试样上不需腐蚀的部位用环氧树脂覆盖，使三个试样的裸露面积基本相同，将它们同时放入盐雾试验箱中进行盐雾腐蚀。2小时喷雾后每小时观察一次试样表面状况。试验中发现，未经离子渗氮的试样，喷雾2小时其表面已出现明显腐蚀点，而经离子渗氮的1号和3号试样6小时才出现明显的腐蚀点；未经离子渗氮试样8小时已出现大面积锈斑，1号和3号试样出现和未经离子渗氮试样面积大致相同的锈斑时间为24小时。以上试验结果可以证明，离子渗氮后，油管的耐腐蚀性能得到了明显的提高。 4.2 腐蚀失重比较将上述三个试样分别于盐雾试验前后清洗烘干，用分析天平称重，计算其腐蚀失重质量，然后换算成单位面积失重量进行对比，评价其耐腐蚀性能的好坏。实验结果如图5所示，腐蚀失重mg/dm25004003002001003号试样1号试样未渗氮试样图5 腐蚀失重比较由图可知，失重比较法和出现明显腐蚀现象时间比较法所得到的结果是相同的。5结论（1）设置“独立阳极”是保证油管内壁实现离子渗氮，并获得所需厚度且沿长轴方向均匀分布渗氮层的关键。（2）和未经离子渗氮油管相比，离子渗氮油管的耐磨性明显提高，与钢摩擦副配合时摩擦系数更低，因此离子渗氮油管在油井中特别在偏磨井中使用将能延长使用寿命。（3）离子渗氮油管的耐腐蚀性能较好，离子渗氮层对电化学腐蚀具有较高的抵抗能力。参考文献1 L R Fu.Z J Zuo.J Niu. Research on the Feasibility of Ion Nitriding for Inside Walls of Big Length-Radiu