石油工业热喷涂技术分析

摘要：本文简要介绍了热喷涂技术在石油工业的应用情况，热喷涂技术可以增强部件的耐蚀性和耐磨性，有效延长设备和部件的使用寿命，在石油工业中将会有一个良好的应用前景。

关键词：热喷涂；修复；防护；石油工业

我国对于石油以及相关化工产品的需求量很大。石油工业中很多设备和备件长期在水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等腐蚀环境下进行服役，承受化学腐蚀和机械磨损的双重作用。据不完全统计表明，因化学腐蚀和机械磨损造成的损失可占到石油工业产值的5%，年累计损失可超过十亿元，给国民经济带来巨大的经济损失。近些年随着热喷涂材料研发的深入和热喷涂设备的不断推陈出新，热喷涂技术在国内发展十分迅速。热喷涂涂层因具有耐腐蚀、耐磨、抗高温氧化、隔热和封严等优良性能，在航空航天、钢铁冶金、机械制造、纺织、汽车等领域得到广泛应用。热喷涂技术同时兼具成本低，操作简单，施工方便，不造成工件变形等诸多优点，逐渐被石油工业重视；被视为延长石油工业设备和部件的使用寿命、提高机械性能的一种重要手段[1-8]。

1热喷涂修复

石油工业中的一些设备和部件，如柱塞、烟气轮叶轮轴、转子轴等工作一段时间后，由于长期受到高温、高压、腐蚀及固体颗粒冲击等，这些腐蚀介质通过化学反应形成一系列化合物，使得设备和部件表面出现严重腐蚀和工作层剥落，影响这些设备和部件的正常运行，如果更换新的设备和部件，一方面往往需要较长的设计和生产时间，会对企业的正常生产运行造成影响；另一方面会使得设备和备件的使用寿命缩短，造成经济上的巨大损失。为避免这种情况，石油工业企业针对设备和部件的服役环境，制定若干套解决方案，其中有些企业选择了热喷涂修复，取得了良好的效果。

1.1柱塞

柱塞长期在高温、高压的恶劣条件下运行，介质中含有较多颗粒，持续运行15至20天后就可能发生失效，不能继续运行。柱塞表面可能出现磨粒磨损和粘着磨损，可采用电弧喷涂CS-T5(粉芯由Cr、Ni、Si、Mn等组成)涂层进行修复，修复后柱塞表面没有明显的磨损和腐蚀，使用周期可以延长至45至50天，大幅节约了生产运营成本。据文献报道，国内某厂曾用电弧喷涂修复一个12吨重的柱塞，喷涂后采用封孔处理，使用性能接近新柱塞[9]。柱塞长期服役表面可能出现划痕，严重时可能出现漏油现象。据报道，国内某企业采用电弧喷涂进行修复，使用的热喷涂材料为3Cr13，本涂层特有的微孔可以具备很好的储油功能，能够充分润滑主缸柱塞工作面。延长了柱塞的使用寿命[10]。

1.2轴类

压缩机叶轮轴长期服役于烟气中，表面可能出现多孔及疏松的腐蚀层。据报道，有些企业对叶轮轴进行喷焊修复，采用的热喷涂材料为Ni-Cr-B-Si系合金粉，对叶轮轴进行机械加工处理，叶轮轴可与其他设备配合良好[11-13]。汽轮机的转子轴服役一段周期后表面会发现点蚀，可对转子轴进行经氧乙炔火焰喷涂处理，热喷涂过程中未出现热变形或应力集中，转子轴经热喷涂处理后可正常使用[11]。

2热喷涂防护

许多文献表明，石油工业从业者已经意识到热喷涂技术对于设备和部件的重要性，不仅依靠热喷涂修复来延长设备和部件的生命周期，更是在产品设计、生产阶段引入热喷涂技术对设备和部件进行防护。

2.1输油管道

输油管道的服役环境复杂，长期经受大气腐蚀、海水、湿气腐蚀等作用，服役一段时间后，表面会出现明显的腐蚀斑点，这些斑点可能导致管道破裂，使得管道出现漏油现象，输油管道难以进行后续修复。为了延长输油管道的使用时间，据报道[14]，有些企业在生产时采用电弧喷涂对输油管道进行修复，采用的热喷涂材料为铝粉末和锌粉末。铝涂层能在管道表面形成致密的氧化膜，而锌涂层以“牺牲阳极”的方式对管道进行防护[11]。

2.2硬密封球阀

硬密封球阀可应用在工艺条件要求苛刻、介质比较特殊的工业装置上。服役环境包括水、蒸汽、油品和各种酸。球阀的主要失效形式是冲蚀磨损，目前球阀生产企业都会对球阀进行热喷涂防护，热喷涂材料包含WC-Co系类粉末，WC-CoCr粉末和NiCr-Cr3C2粉末。经热喷涂处理后，涂层与球阀基体的结合强度可达70MPa,涂层孔隙率低于2%,涂层的HV硬度可高于1200,热喷涂处理可以显著改善硬密封球阀的密封性，有效提高了球阀的使用寿命[15-16]。

2.3接箍

有杆泵是国内应用最广泛的机械抽油方式。据报道，有杆泵70%的受损发生在接箍处。如因接箍受损而更换有杆泵，材料费用将会达到数亿元。可采用感应重熔的方式对接箍进行预处理，采用的热喷涂材料主要是镍基自熔性合金粉末，包括Ni60粉末系列，Ni55粉末等材料。重熔后接箍的耐磨、耐蚀性均得到提高，使用周期大幅增加[17]。

2.4高压闸阀

高压闸阀广泛应用于石油工业，闸板和阀座是闸阀的重要组成部件，由于不断承受外界的冲蚀与磨损，闸板和阀座表面使用一段时间后就会出现损伤，进而影响闸阀的正常运行。据报道，当高压工况低于100MPa时，企业可选择氧乙炔火焰喷涂对闸板和阀座进行加工表面防护，热喷涂材料为镍基自熔性合金粉末；当高压工况高于100MPa时，可采用超音速喷涂进行表面防护，热喷涂材料为WC-CoCr粉末，该涂层即使承受150MPa时也不会出现剥落现象[18]。

2.5抽油杆

抽油杆在石油工业中应用非常广泛，在油管中上下往复运动会与油管摩擦可产生偏磨现象。偏磨不仅降低抽油机的寿命、而且可能磨穿油管，有必要对抽油杆进行减磨处理。可以采用氧乙炔火焰喷涂处理，热喷涂材料为合金和石墨的混合粉末。由于石墨的自润滑特性，抽油杆服役时，耐磨涂层仅受到轻微的磨削擦痕，有效的保护了抽油杆，延长了抽油杆的使用寿命[19]。

2.6钻头

钻头是重要的井下工具，石油工业中应用较广的钻头是PDC钻头，PDC钻头分为胎体PDC钻头和钢体PDC钻头，由于国产钢体PDC钻头表面强化质量和耐冲蚀性能较差，影响了市场推广。基于这种局面，一些厂家对钢体PDC钻头超音速喷涂防护处理，采用的热喷涂材料为WC-Co系类，涂层的抗冲蚀能力较基材提高了7倍，且涂层与基材结合强度高，能够有效的延长钢体PDC钻头的寿命，对于拓展PDC钢体钻头的市场占有率有着积极意义[20]。

2.7浆料泵叶轮

浆料泵运行环境复杂，服役时会受到酸碱介质和固体颗粒的交替作用，叶轮的服役周期很短，最短的寿命仅为十几天。长期作用后，叶轮表面受损，会出现不规则的鱼鳞纹。可采用氧乙炔火焰喷涂或者等离子喷涂处理来提高叶轮的抗耐磨和耐蚀性，采用的热喷涂材料为高铬铸铁。叶轮经热喷涂处理后，寿命可提高2至4倍[21]。

3结语

过去几十年，热喷涂技术广泛地应用到石油工业。热喷涂技术可以增强设备和备件的耐磨和耐蚀能力，延长设备和备件的使用周期，为企业节约运营成本。可以预见，随着热喷涂技术的不断进步，热喷涂技术在石油工业的应用范围将会不断增大。

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作者：张康1,2 鲍君峰1,2 王梦雨1,2 单位：1.北京矿冶研究总院 2.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心