完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术研究与应用

完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术研究与应用

仲兆宇

仲兆宇

COSL油田生产事业部完井中心天津300000

摘要：本文主要针对完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术展开分析，思考了完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术的要点和关键技术点，明确了如何更好的使用和应用技术，希望可以为今后的研究提供参考。

关键词：完井工具，表面抗磨损，陶瓷覆膜技术

前言

针对完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术，我们一定要更加明确技术的使用对策，进一步采取完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术来提升其使用效果和质量，从而发挥其作用。

1、表面处理技术的基本概况

目前，为了能够提高工具在海洋石油井下的综合性能，需要采用表面处理技术加强工具的耐磨和耐冲蚀性、耐腐蚀。当前主要采用的工艺主要有QPQ盐浴复合处理、电镀钨合金、物理气相沉积等技术，通过多年的实践和研究，QPQ盐浴复合处理技术主要是用来解决不锈钢螺纹粘扣等问题，物理气相沉积技术可以提高合金钢和不锈钢的耐磨和耐冲蚀性，电镀钨金技术能够有效的提高工具的耐腐蚀性。

2、现有完井工具防腐处理技术

目前对工具表面处理的方法主要有化学镀、发黑处理、表面渗氮及表面涂层等技术，其中化学镀和发黑处理约占90%。

2.1化学镀处理运用了化学中的氧化还原反应，在钢件的表面附上一层致密的合成金属膜，从而减缓或阻止腐蚀的进行。如镍磷化学镀层，尽管易产生针孔、加剧点蚀的发生，但以其较好的工艺性能及耐磨性能，目前仍广泛应用于油气田防腐。

2.2发黑处理是在铁的表面上合成黑色氧化物层。发黑处理分为高温碱性发黑和常温发黑处理两种方式，使金属表面形成一层黑色氧化膜，从而减缓金属被腐蚀。常温发黑处理配方有多种，较成熟且常用的为硒化物发黑处理，镀层致密、抗腐蚀能力强，但常温发黑处理存在膜层容易磨蚀脱落的缺点。

2.3表面渗氮处理是一种以氮原子渗入钢件表面，形成一层以氮化物为主的渗层的化学热处理方法。渗氮的基本过程为活性氮原子的产生、表面的吸收和氮原子的扩散。渗氮不仅可以提高工件表面的硬度、耐磨性以及耐疲劳性，而且还可以提高工件在腐蚀介质中工作的耐蚀性，但渗层脆性大、生产周期长。

2.4等离子喷涂类陶瓷涂层技术是将类陶瓷粉末材料掺入等离子体中或等离子射流中，使粉末颗粒在其中加速熔化或部分熔化，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类处理工艺。等离子喷涂类陶瓷涂层由于具有高硬度、高熔点、耐磨、隔热、绝缘等特点，近年来成为国内外热喷涂领域研究的热点，其中Al2O3、ZrO2和Cr2O3是研究最多的陶瓷涂层，其研究涉及到涂层的耐磨性、耐蚀性和耐热冲击性等，其缺点是当发生伸缩变形时涂层易剥落，当工件表面复杂时难于喷涂。

2.5激光熔覆类陶瓷粉末、耐蚀合金技术是利用激光熔化需要覆在基材表面的类陶瓷粉末或硬质合金粉末，同时基材金属也有一熔化薄层，与之形成冶金结合体。然而熔覆层体系具有基材所缺少的高性能，包括硬质耐磨、减摩润滑、耐高温和隔热及耐腐蚀、抗氧化等性能。日本在该项技术方面发展较好，国内正处于研究阶段。

3、类陶瓷覆膜处理技术

3.1抗腐蚀陶瓷膜材料的选择

3.1.1常规陶瓷与金属陶瓷

以Al2O3和ZrO2为基的陶瓷材料具有耐磨蚀性能，这种优异性能源于其高硬度和高抗腐蚀性能。目前，陶瓷材料已逐渐进入油田并发挥作用，已经用于诸如泥浆泵缸套、喷嘴等钻采设备上。但是，由于陶瓷材料的高脆性（低的抗弯强度）以及在某些油田腐蚀介质中的表面不适应性，也制约了其在油田的广泛应用。金属陶瓷是以金属化合物为基的一大类材料，由于这类材料兼具有金属和陶瓷的性能正日益受到人们的关注。采用化学气-固平衡反应工艺可以制取TiCrN、TiCrC膜以及AlN和以上3种材料的复合膜。其中3种膜的反应式如下：

TixCr（CO）y+N2+H2※TiCrN+CO←+H2←

TixCr（CO）y+CH4+H2※TiCrC+CO←+H2←

AlCl3+N2+H2※AlN+HCl←+H2←

3.1.2陶瓷性能对比

鉴于以上原因，选择Ti、Cr、Al的N化物、C化物构成的金属陶瓷作为井下工具用钢表面抗腐蚀陶瓷覆膜的材料。

以金属氧化物、氮化物、碳化物为代表的陶瓷类材料，具有很高的硬度与耐磨性，尤其是金属陶瓷在酸性介质中的抗腐蚀性能比不锈钢强得多。由于该类材料的电化学惰性以及阻氢能力，使其对油气井中各种氯离子、硫化氢和二氧化碳腐蚀有极强的阻碍作用。同时，由于所选金属陶瓷与钢的热膨胀系数相等或相近，故这些膜材料与钢材有很好的相容性，与钢的结合力很强。因此，选择（TiCr）xNy和（TiCr）xNy作为工具用钢的表面覆膜保护材料，可以有效地防止氢进入材料内部所造成的氢致应力腐蚀，是高强钢抗腐蚀保护的首选。

3.2完井工具基材处理

目前的完井工具主要采用35CrMo钢材，部分也采用45号钢等。研究发现，35CrMo钢抗应力腐蚀效果较差。完井封隔器主要零件通过采用化学气-固平衡反应工艺制取TiCrN、TiCrC膜以及AlN和以上3种材料的复合膜，并用10kg压力对工件垂直喷石英砂处理，未见复合膜脱落。

3.3常规钢材的高温高压腐蚀失重试验

通过对N80、42CrMo及45号3种油气井用高级合金钢在类陶瓷覆膜处理前、后对其在高硫环境中的腐蚀失重的试验结果表明：①在高含硫及高温、高压环境中，42CrMo钢、45钢及N80钢腐蚀速率极快，均为10-1mm/a数量级，但腐蚀速率随含碳量减少而放慢，说明碳是钢中硫化氢腐蚀敏感元素。②由于42CrMo比油气井常用高强钢35CrMo的含碳量高，对其表面气-固处理的钢试样腐蚀速率评价结果表明，其失重腐蚀率仅为未处理试样和液-固表面处理试样失重腐蚀率的1.4%。

3.4材料抗应力腐蚀开裂试验

研究35CrMo钢气-固相处理前、后试样。采用NACETM0177—2005A溶液浸泡试样，浸泡时间为96h，经浸泡的抗拉试样在48h内进行抗拉强度试验。该试验主要用于测试材料在硫化氢环境中的氢致应力腐蚀开裂状况，并通过抗拉时的塑性变形现象判断材料内部氢脆状况。

两种试样的测试结果表明，硫化氢溶液浸泡后的35CrMo试棒经表面气-固处理并淬火后的抗拉强度达到1790MPa，拉断后的伸长率为23%。浸泡后的只经过调质处理而未经气-固表面保护处理的35CrMo钢试样，抗拉强度只有760MPa，拉断后的伸长率只有21%。一般认为，同种材料强度越高，氢脆越容易发生，因而塑性变形越小，在硫化氢环境中更明显。但本试验反应出的35CrMo钢的趋势正好相反，说明气-固表面处理技术用于高强钢的防氢致应力开裂有效果。

4、结束语

综上所述，在应用完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术的过程中，要考虑到应用的需求，本文总结了完井工具表面抗磨损陶瓷覆膜技术如何进行应用，思考了应用的方法和措施，可供参考。

参考文献：

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