螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價及推廣應(yīng)用

石衛(wèi)國杜貴林陳圣乾劉 成秦立高張 炬張國慶姜蓓蓓

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.天津先知邦科技股份有限公司)

螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價及推廣應(yīng)用

石衛(wèi)國1杜貴林1陳圣乾1劉 成1秦立高1張 炬1張國慶2姜蓓蓓3

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.天津先知邦科技股份有限公司)

海上油田時常出現(xiàn)緊固件銹蝕后無法拆卸的情況,既給設(shè)備維護、更換造成極大不便,同時也帶來安全隱患。開展了螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價與應(yīng)用,結(jié)果表明,經(jīng)過滲鋅工藝處理后的螺栓,其力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的技術(shù)要求,在海洋大氣環(huán)境中具有較強的耐腐蝕性能。目前該項新技術(shù)已在我國海上油田22個項目進行了推廣應(yīng)用,均取得了良好效果。

螺栓;滲鋅;試驗評價;力學(xué)性能;耐腐蝕性能;海上油田

0 引言

海上油田緊固件由于長期暴露在高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線照射的海洋大氣環(huán)境中,其工況極其惡劣,腐蝕情況十分嚴(yán)重,如某海上油田鉆井平臺壓力表法蘭螺栓使用僅2年3個月就嚴(yán)重銹蝕,而無法使用(圖1)。

圖1 某海上油田鉆井平臺壓力表法蘭螺栓銹蝕照片(使用時間2年3個月)

經(jīng)調(diào)查,目前海上油田螺栓防腐蝕處理常用的方法有鍍鎘、熱浸鍍鋅、特氟龍、達克羅等,其優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 海上油田常用螺栓防腐蝕處理方式優(yōu)缺點對比

由于用常用的防腐蝕處理方法處理過的螺栓在海上油田生產(chǎn)現(xiàn)場常發(fā)生碳鋼緊固件外腐蝕后銹死的現(xiàn)象,在拆卸、更換時不乏出現(xiàn)使用除銹液、加力杠都無法拆卸的情況,這時只能使用鋸條、砂輪片甚至動用氣割將銹蝕的緊固件割斷,既給設(shè)備維護、維修、更換造成極大不便,又大大增加了作業(yè)時間和人力成本,同時也帶來了安全隱患,甚至導(dǎo)致安全事故。針對這種狀況,開展了螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價與應(yīng)用,結(jié)果表明,經(jīng)過滲鋅工藝處理后的螺栓,其力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的技術(shù)要求,在海洋大氣環(huán)境中具有較強的耐腐蝕性能。目前該項新技術(shù)已在我國海上油田22個項目進行了推廣應(yīng)用,均取得了良好效果。

1 螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價

滲鋅技術(shù)是一種熱擴散表面強化技術(shù),是將滲鋅劑與鋼鐵制件置于密封罐中,加熱到350～450℃保溫,保溫期間活性Zn由表及里地向鋼鐵制件擴散,與此同時Fe由內(nèi)向外擴散,在鋼鐵制件的表層形成Zn-Fe合金保護層,即滲鋅層,可以有效地改善和提高鋼鐵構(gòu)件表面的抗腐蝕、抗表面氧化及耐磨損性能[1-2]。滲鋅技術(shù)源于英國和前蘇聯(lián),20世紀(jì)90年代以來我國有關(guān)部門的專家經(jīng)過潛心研究與實驗,成功地開發(fā)出了粉末滲鋅技術(shù)、系列成套設(shè)備和滲鋅產(chǎn)品。

由于螺栓在服役期間不僅要遭受腐蝕,而且需要承受拉、彎曲、扭、剪切等應(yīng)力,其使用工況較其他鋼構(gòu)件更為惡劣,因此本文提出將滲鋅技術(shù)應(yīng)用于海上油田緊固件防腐處理,并以螺栓為對象對該技術(shù)進行試驗評價。

1.1 滲鋅試件的制備

試件名稱:螺栓及其配套螺母。

試件規(guī)格:M16×110。

試件材質(zhì):ASTM A193 Gr.B7 Stud Bolt、A194 Gr.2H HVY.HEX.S.FNuts。

滲鋅工藝:試件經(jīng)除油劑除油、噴砂除銹后置于滲鋅爐中,加熱至420℃滲鋅2 h,爐冷至300℃后空冷至常溫。

滲鋅厚度:40～45μm。

1.2 力學(xué)性能試驗

任何防腐處理方式都不應(yīng)降低螺栓的機械性能,這是其應(yīng)用于現(xiàn)場的必要且首要條件。因此,對滲鋅螺栓的評價首先從力學(xué)性能試驗開始,主要做了斷裂載荷試驗和硬度試驗。斷裂載荷試驗設(shè)備為電子拉力試驗機,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228.1—2010金屬材料拉伸試驗;硬度試驗設(shè)備為洛氏硬度試驗機,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T230.3—2002金屬洛氏硬度試驗。碳鋼螺栓滲鋅前后力學(xué)性能對比試驗結(jié)果見表2、3。

表2 碳鋼螺栓滲鋅前后斷裂載荷試驗對比結(jié)果

表3 碳鋼螺栓滲鋅前后基體硬度試驗對比結(jié)果

從表2、3可以看出,碳鋼螺栓經(jīng)滲鋅工藝處理后,其抗斷裂載荷能力和基體硬度沒有明顯變化。

1.3 鹽霧試驗

將螺栓試件分別進行鍍鎘、特氟龍及滲鋅處理,試驗設(shè)備為GD-DER耐中性鹽霧箱,采用日本JISK5600-7-1標(biāo)準(zhǔn),在5%NaCl、35℃環(huán)境下進行鹽霧對比,試驗時間為800 h,試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,特氟龍螺帽出現(xiàn)腐蝕的面積約為50%,側(cè)面泡變大、變多,局部(圖片中的漏白的地方)漆膜有脫落的情況,約為5%,螺帽的最大腐蝕深度約為0.5 mm,螺栓的腐蝕面積已經(jīng)超過95%;鍍鎘螺栓、螺母表面失光嚴(yán)重,并伴隨有大面積黑斑產(chǎn)生,鈍化表面已經(jīng)開始破壞;滲鋅螺栓、螺母表面無明顯變化?？梢?滲鋅螺栓與鍍鎘、特氟龍螺栓相比具有較好的耐腐蝕性能。

圖2 鹽霧試驗后的螺栓、螺母

1.4 海上現(xiàn)場試驗

基于鹽霧試驗結(jié)果,為進一步驗證滲鋅螺栓在海洋大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能,對滲鋅、鍍鎘、特氟龍及熱浸鍍鋅螺栓進行了海上現(xiàn)場對比試驗。由于海上油田緊固件在現(xiàn)場使用時,部分為有保溫或覆蓋的較為封閉、干燥的環(huán)境,也有敞開空間甚至露天的環(huán)境。因此,經(jīng)研究選擇在南海西部某終端處理廠進行有保溫海上現(xiàn)場試驗(圖3)和在南海西部某平臺進行露天海上現(xiàn)場試驗(圖4),試驗時間為1年。

圖3 南海西部某終端處理廠螺栓有保溫海上現(xiàn)場試驗結(jié)果

從圖3可以看出,有保溫條件下海上現(xiàn)場試驗1年后,滲鋅螺栓表面無明顯變化(圖3a);熱浸鍍鋅螺栓已有失光的現(xiàn)象(圖3b);鍍鎘螺栓已有少許銹跡(圖3c);特氟龍螺栓在受扳手等工具作用過的位置,涂層受到了破壞,已有銹蝕現(xiàn)象。

圖4 南海西部某平臺螺栓露天海上現(xiàn)場試驗結(jié)果

從圖4可以看出,露天海上現(xiàn)場試驗1年后,滲鋅螺栓表面無明顯變化;熱浸鍍鋅螺栓有較嚴(yán)重銹蝕跡象,螺紋腐蝕面積約50%;鍍鎘螺栓有較嚴(yán)重銹蝕跡象,螺紋腐蝕面積約70%;特氟龍螺栓、螺母受扳手等工具作用過的位置,涂層受到了破壞,螺紋上涂層已遭到破壞,螺紋有較嚴(yán)重銹蝕跡象,螺紋腐蝕面積約60%。

從海上現(xiàn)場試驗結(jié)果來看,在南海西部海洋大氣環(huán)境下,滲鋅螺栓與特氟龍、鍍鎘、熱浸鍍鋅螺栓相比具有較好的耐腐蝕性能。

1.5 分析討論

滲鋅層是一種Zn-Fe合金層,具有良好的耐腐蝕性能,它不同于純Zn層。在潮濕大氣、海水或其他電解質(zhì)環(huán)境中,滲鋅層作為犧牲性陽極可對鋼鐵制件進行保護。滲鋅層主要是由Zn-Fe合金δ1相組成,δ1相中含Zn90%左右,含F(xiàn)e10%左右。經(jīng)測試,滲鋅層的Zn-Fe合金相的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.65V,純鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.762 V,鐵的電極電位為-0.439 V。可見,滲鋅層的電極電位低于鐵,又高于純鋅,滲鋅層與基體之間的電極電位差低于純鋅層與基體之間的電極電位差[3],即滲鋅層可以對鋼鐵制件進行保護,但其腐蝕電流又小于純鋅與鋼鐵制件之間的腐蝕電流。另外,所形成的腐蝕產(chǎn)物如難溶性的堿式碳酸鹽附著在滲鋅層表面,對滲鋅層起到了保護作用,因而降低了滲鋅層的腐蝕速度,提高了保護層的耐腐蝕性能,增加了滲鋅層的壽命。

試驗表明,滲鋅層具有良好的耐磨性(表4),滲鋅涂層顯微硬度為250～420HV,滲鋅層硬度值取決于Zn-Fe合金中的Fe含量,隨著涂層厚度增加,Fe含量降低,其硬度值也隨之略有降低。從表4可以看出,滲鋅涂層表面硬度是所有鋅類涂層中最硬的[4],能夠防止運輸和施工過程中對工件涂層的破壞,而完好的涂層又能對防腐蝕效果起著重要作用。

表4 典型鋅鍍層硬度值與耐磨試驗結(jié)果

2 在我國海上油田的推廣應(yīng)用

滲鋅防腐新技術(shù)在潿洲油田群試驗成功后,廣泛推廣應(yīng)用于墾利3-2油田群開發(fā)項目、秦皇島32-6油田綜合調(diào)整項目等22個項目的70個海上平臺(表5),滲鋅螺栓均表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐腐蝕性能,避免了因螺栓銹死給設(shè)備安裝、維修、更換過程帶來的不便,改善了施工條件,降低了施工人員的工作強度,縮短了作業(yè)時間,得到了各界的好評。

表5 滲鋅防腐新技術(shù)在海上油田的應(yīng)用情況

3 結(jié)論

1)海上油田緊固件使用環(huán)境為高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線照射的海洋大氣環(huán)境,其工況極其惡劣,緊固件在使用前必須進行防腐蝕處理,但目前常用的防腐措施已經(jīng)不能滿足防腐要求。為此開展了螺栓表面滲鋅防腐新技術(shù)試驗評價,結(jié)果表明,經(jīng)過滲鋅工藝處理后的螺栓,其抗斷裂載荷能力和硬度沒有明顯變化,主要力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的技術(shù)要求;在海洋大氣環(huán)境中,滲鋅螺栓與電鍍鎘、熱浸鍍鋅和特氟龍螺栓相比具有較強的耐腐蝕性能。

2)應(yīng)用效果表明,滲鋅防腐新技術(shù)為海上油田緊固件的防腐蝕處理提供了新的途徑,可以推廣到海上油田電纜托架、鋼格柵板等其他鋼構(gòu)件上。

[1] 利亞霍維奇.金屬和合金的化學(xué)熱處理手冊[M].孫一唐,譯.上海:上?？萍汲霭嫔?1986.

[2] 盧燕平,于福洲.滲鍍[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

[3] 馬青華,付大海,董作敬.機械能助滲鋅及其海洋環(huán)境防腐蝕效果[J].中國表面工程,2009,22(6):65-67,71.

[4] 吳勇,李春燕,劉邦貴,等.艦船零部件真空滲鋅的性能及應(yīng)用研究[J].熱加工工藝,2002(2):23-25.

The evaluation and application of sherardizing anti-corrosion technology in offshore oilfields

Shi Weiguo1Du Guilin1Chen Shengqian1Liu Cheng1Qin Ligao1Zhang Ju1Zhang Guoqing2Jiang Beibei3
(1.CNOOC Energy Technology&Services Co.Ltd., Shanghai,200030;Offshore Oil Engineering Co.Ltd., Tianjin,300451;Tianjin XZB Science and Technology Co.Ltd.,Tianjin,300502)

It often happens the rusting fasteners cannot be disassembled on facilities in offshore oilfield, which not only causes more hardships in the maintenance and replacement of the equipment but also creates security risks.This paper presents the application evaluation of sherardizing anti-corrosion technology on the bolt surface.The results have shown that the mechanical properties of sherardizing bolts satisfied the requirements of relevant standards and norms and exhibited strong corrosion resistance in marine atmospheric environment.Currently,the new technology has been applied in 22 projects of offshore oilfields and gained good effects.

bolt;sherardizing;test evaluation;mechanical property;corrosion resistance;offshore oilfield

2014-01-06改回日期:2014-06-30

(編輯:葉秋敏)

石衛(wèi)國,工程師,2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機械工程及自動化專業(yè),現(xiàn)就職于中海油能源發(fā)展股份有限公司上海采油技術(shù)服務(wù)分公司。地址:天津市濱海新區(qū)塘沽渤海石油路688號采技服機采車間三樓(郵編:300452)。電話:022-25807182。E-mail:shiwg2@ cnooc.com.cn。