熱噴涂技術在石油化工中的應用

一、引言

    腐蝕和磨損是危害石油石化工業生產的嚴重問題。據調查，我國石油石化工業每年因磨損和腐蝕所造成的直接經濟損失達數億元。我國石油工業中的管道、儲罐、油井套管等設施的腐蝕和磨損情況，隨著我國油氣田開發年限和設備使用年限的增長越來越嚴重；而我國石化工業中，隨著進口高含硫原油的煉制，設備的腐蝕問題同樣日益嚴重。所以，因腐蝕和磨損對設備安全穩定運行帶來的不利影響會越來越突出，迫切需要提高石油石化工業中開采和加工設備的耐磨性和耐蝕性。

    對磨損、腐蝕造成零件失效的研究表明，這些失效大都發生在材料表面3-4。利用表面工程的技術手段對材料表面進行處理，改善材料的表面性能，會有效地延長零件使用壽命，因此，表面工程在石油石化工業中具有重要地位。

    熱噴涂技術是表面工程中重要的表面處理技術，它是指在保持零件本體材料原有性能的基礎上，通過在其表面制備一層具有優越性能的覆蓋層，賦予零件表面耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗疲勞等多種性能。采用熱噴涂技術的最大優勢是能夠以多種方法制備出優于本體材料性能的表面功能薄層，其厚度僅為結構尺寸的幾十分之一，卻使零件具有了比本體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等性能。即使采用性能優異的貴重、稀有元素，也不會顯著增加成本。此外，熱噴涂技術還能直接針對許多貴重零部件的失效原因，實行局部表面強化、修復、預保護，以達到延長使用壽命或重新恢復使用價值的目的。所以，采用熱噴涂技術的經濟效益和社會效益是十分巨大的。

二、熱噴涂技術的特點及其常用方法

    熱噴涂技術是通過火焰、電弧或等離子體等熱源，將某種線材或粉末狀的材料加熱至熔化或半熔化狀態，并加速形成高速熔滴，噴向基體，在其上形成覆蓋層。這種覆蓋層稱為噴涂層。

    與其他表面涂層技術相比，熱噴涂技術具有以下特點：

    （1）方法多樣。熱噴涂方法多達十幾種，為制備涂層提供了多種手段

    （2）涂層基體材料不受限制。熱噴涂可以在幾乎所有固體表面制備涂層，如金屬材料、無機材料（玻璃、陶瓷）和有機材料（木材、布、紙）等。

    （3）噴涂材料的種類選擇范圍廣泛。幾乎所有的金屬、合金、陶瓷、塑料等都可以作為噴涂材料。

    （4）被噴涂物體的尺寸、大小和形狀不受限制。既可對大型設備進行大面積噴涂，也可對工件的局部進行噴涂。既可噴涂零件，又可對制成后的結構進行噴涂。

    （5）可賦予普通材料以特殊的表面性能。可使材料滿足耐磨、耐蝕、抗高溫氧化、隔熱、密封等特殊性能要求，達到節約貴重材料，提高產品質量，滿足多種工程和尖端技術的需要。

    （6）涂層厚度較易控制。薄者可為幾十微米，厚者可為幾毫米。

    （7）成本低。經濟效益顯著。

    由此可見，熱噴涂技術具有工藝靈活、適用性強、易于推廣、經濟及其他工藝所不能替代的特點，在表面工程中占據著重要地位。

    目前，在生產實踐中應用比較廣泛的方法主要有火焰噴涂（包括線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂）、等離子噴涂和電弧噴涂。

三、熱噴涂技術在石油石化工業中的應用現狀

1、修復石油機械

    隨著先進制造技術及設備工程學的不斷發展，制造與維修將越來越趨于統一，“維修”已被賦予了更廣泛的含義。1984年美國“技術評論”提倡舊品翻新或再生，并稱為“重新制造”。重新制造所需能源約為制造新品的20%~60%，價格只有新品的40%~60%。許多采用熱噴涂技術處理過的舊零部件，其性能要優于新品。

    石油鉆機等設備中一些大功率曲軸，油田使用的各種重型車輛、拖拉機、柴油機的曲軸等磨損后均可采用熱噴涂技術進行修復。如可采用電弧噴涂3Cr13涂層或等離子噴涂陶瓷涂層來修復。這樣既可顯著降低成本，又能延長設備使用壽命，尤其是可有效解決進口設備的修復問題。還可采用熱噴涂方法恢復加工超差零部件或強化耐磨件表層。

    油田使用的各類泵的柱塞、缸套、葉輪等零件均可采用多種熱噴涂方法進行修復。如可采用超音速火焰噴涂WC-12Co或等離子噴涂Al2O3等來修復和強化，也可采用電弧噴涂1Cr13鋼絲進行修復。采用熱噴涂技術修復后的柱塞使用壽命高于表面淬火柱塞，略低于工作表面噴焊鎳基合金的柱塞。對于一些大直徑柱塞，由于變形而無法采用噴焊進行修復時，熱噴涂則不失為一種無變形、低成本的最佳修復方法。國內曾修復一個12噸的柱塞，噴涂層重達33公斤，涂層作封孔處理后，使用性能優于新柱塞，而成本只有新柱塞的1/4。油田注水泵電動機及煉油、鹽化系統使用的大功率電動機轉子，可采用熱噴涂技術對其磨損的軸頸部位進行修復。

2、提高機械零件的耐磨性

    煉油廠的催化裂化裝置，一般采用煙氣能量回收系統。但由于煙氣輪機是在帶有固體催化劑微粒及有腐蝕介質的高溫煙氣流下工作，其動、靜葉片等零部件易受沖蝕，其使用壽命只有2~12個月。而采用等離子噴涂技術在動、靜葉片表面噴涂合金粉末，可提高動、靜葉片的抗沖蝕磨損性能，從而延長煙氣輪機的使用壽命。

3、噴涂石油機械零件

    耐磨耐蝕球閥：對于工作在溫度達540℃，壓力達140MPa的含有腐蝕性砂漿的管道中的金屬座球閥，應用超音速火焰噴涂WC-Co涂層、Cr2C3-NiCr涂層、Fe-Cr-Ni-Mo涂層或WC-Ni涂層，可大幅度改善球閥的耐腐蝕和耐沖蝕性能，提高使用可靠性和壽命。抽油桿：為了適應腐蝕油井生產的需要，美國用AISI431不銹鋼材料生產了不銹鋼抽油桿，該抽油桿的特點是耐腐蝕性好，但成本較高。為了節約成本，美國ContinentalOilCompany利用AISI316不銹鋼粉末，對API的C級和D級抽油桿進行了等離子噴涂，制成了噴涂不銹鋼抽油桿，該抽油桿也具有防腐性能，但成本比不銹鋼的要便宜。抽油泵柱塞：國內對油井抽油泵柱塞加工的一般方法有：表面鍍鉻、化學鍍鎳-磷和表面噴焊鎳基合金。目前，熱噴涂陶瓷涂層作為一種新的處理工藝已被用來制造抽油泵柱塞。采用熱噴涂技術在柱塞表面噴涂87%Al2O3+13%TiO2的陶瓷材料形成陶瓷涂層。用這種方法制造的抽油泵柱塞。在含砂井中的運行時間可達兩個多月。其壽命為傳統工藝所制造柱塞的兩倍。鉆頭：爆炸噴涂WC-Co涂層成功地用于鉆頭，提高了鉆頭的抗磨損、抗腐蝕和抗沖蝕能力，也可采用等離子噴涂工藝在人造金剛石鉆頭表面制備復合合金涂層。

4、容器、管道和塔的防腐

    油田使用的塔、罐、管道可采用電弧噴涂鋁、鋅、不銹鋼等涂層防腐或采用火焰噴塑防腐。杜邦、聯合化工、殼牌等公司在反應發生器內壁已大量使用線材噴涂不銹鋼、司太立合金、鉬和鈦合金。采用等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂均可解決油田用各種鍋爐管道的腐蝕和沖蝕問題。

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