螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价及推广应用

石卫国杜贵林陈圣乾刘 成秦立高张 炬张国庆姜蓓蓓

(1.中海油能源发展股份有限公司; 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)

螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价及推广应用

石卫国1杜贵林1陈圣乾1刘 成1秦立高1张 炬1张国庆2姜蓓蓓3

(1.中海油能源发展股份有限公司; 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)

海上油田时常出现紧固件锈蚀后无法拆卸的情况,既给设备维护、更换造成极大不便,同时也带来安全隐患。开展了螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价与应用,结果表明,经过渗锌工艺处理后的螺栓,其力学性能满足相关标准、规范的技术要求,在海洋大气环境中具有较强的耐腐蚀性能。目前该项新技术已在我国海上油田22个项目进行了推广应用,均取得了良好效果。

螺栓;渗锌;试验评价;力学性能;耐腐蚀性能;海上油田

0 引言

海上油田紧固件由于长期暴露在高温、高湿、高盐雾、高紫外线照射的海洋大气环境中,其工况极其恶劣,腐蚀情况十分严重,如某海上油田钻井平台压力表法兰螺栓使用仅2年3个月就严重锈蚀,而无法使用(图1)。

图1 某海上油田钻井平台压力表法兰螺栓锈蚀照片(使用时间2年3个月)

经调查,目前海上油田螺栓防腐蚀处理常用的方法有镀镉、热浸镀锌、特氟龙、达克罗等,其优缺点对比如表1所示。

表1 海上油田常用螺栓防腐蚀处理方式优缺点对比

由于用常用的防腐蚀处理方法处理过的螺栓在海上油田生产现场常发生碳钢紧固件外腐蚀后锈死的现象,在拆卸、更换时不乏出现使用除锈液、加力杠都无法拆卸的情况,这时只能使用锯条、砂轮片甚至动用气割将锈蚀的紧固件割断,既给设备维护、维修、更换造成极大不便,又大大增加了作业时间和人力成本,同时也带来了安全隐患,甚至导致安全事故。针对这种状况,开展了螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价与应用,结果表明,经过渗锌工艺处理后的螺栓,其力学性能满足相关标准、规范的技术要求,在海洋大气环境中具有较强的耐腐蚀性能。目前该项新技术已在我国海上油田22个项目进行了推广应用,均取得了良好效果。

1 螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价

渗锌技术是一种热扩散表面强化技术,是将渗锌剂与钢铁制件置于密封罐中,加热到350～450℃保温,保温期间活性Zn由表及里地向钢铁制件扩散,与此同时Fe由内向外扩散,在钢铁制件的表层形成Zn-Fe合金保护层,即渗锌层,可以有效地改善和提高钢铁构件表面的抗腐蚀、抗表面氧化及耐磨损性能[1-2]。渗锌技术源于英国和前苏联,20世纪90年代以来我国有关部门的专家经过潜心研究与实验,成功地开发出了粉末渗锌技术、系列成套设备和渗锌产品。

由于螺栓在服役期间不仅要遭受腐蚀,而且需要承受拉、弯曲、扭、剪切等应力,其使用工况较其他钢构件更为恶劣,因此本文提出将渗锌技术应用于海上油田紧固件防腐处理,并以螺栓为对象对该技术进行试验评价。

1.1 渗锌试件的制备

试件名称:螺栓及其配套螺母。

试件规格:M16×110。

试件材质:ASTM A193 Gr.B7 Stud Bolt、A194 Gr.2H HVY.HEX.S.FNuts。

渗锌工艺:试件经除油剂除油、喷砂除锈后置于渗锌炉中,加热至420℃渗锌2 h,炉冷至300℃后空冷至常温。

渗锌厚度:40～45μm。

1.2 力学性能试验

任何防腐处理方式都不应降低螺栓的机械性能,这是其应用于现场的必要且首要条件。因此,对渗锌螺栓的评价首先从力学性能试验开始,主要做了断裂载荷试验和硬度试验。断裂载荷试验设备为电子拉力试验机,执行标准为GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验;硬度试验设备为洛氏硬度试验机,执行标准为GB/T230.3—2002金属洛氏硬度试验。碳钢螺栓渗锌前后力学性能对比试验结果见表2、3。

表2 碳钢螺栓渗锌前后断裂载荷试验对比结果

表3 碳钢螺栓渗锌前后基体硬度试验对比结果

从表2、3可以看出,碳钢螺栓经渗锌工艺处理后,其抗断裂载荷能力和基体硬度没有明显变化。

1.3 盐雾试验

将螺栓试件分别进行镀镉、特氟龙及渗锌处理,试验设备为GD-DER耐中性盐雾箱,采用日本JISK5600-7-1标准,在5%NaCl、35℃环境下进行盐雾对比,试验时间为800 h,试验结果如图2所示。从图2可以看出,特氟龙螺帽出现腐蚀的面积约为50%,侧面泡变大、变多,局部(图片中的漏白的地方)漆膜有脱落的情况,约为5%,螺帽的最大腐蚀深度约为0.5 mm,螺栓的腐蚀面积已经超过95%;镀镉螺栓、螺母表面失光严重,并伴随有大面积黑斑产生,钝化表面已经开始破坏;渗锌螺栓、螺母表面无明显变化。可见,渗锌螺栓与镀镉、特氟龙螺栓相比具有较好的耐腐蚀性能。

图2 盐雾试验后的螺栓、螺母

1.4 海上现场试验

基于盐雾试验结果,为进一步验证渗锌螺栓在海洋大气环境中的耐腐蚀性能,对渗锌、镀镉、特氟龙及热浸镀锌螺栓进行了海上现场对比试验。由于海上油田紧固件在现场使用时,部分为有保温或覆盖的较为封闭、干燥的环境,也有敞开空间甚至露天的环境。因此,经研究选择在南海西部某终端处理厂进行有保温海上现场试验(图3)和在南海西部某平台进行露天海上现场试验(图4),试验时间为1年。

图3 南海西部某终端处理厂螺栓有保温海上现场试验结果

从图3可以看出,有保温条件下海上现场试验1年后,渗锌螺栓表面无明显变化(图3a);热浸镀锌螺栓已有失光的现象(图3b);镀镉螺栓已有少许锈迹(图3c);特氟龙螺栓在受扳手等工具作用过的位置,涂层受到了破坏,已有锈蚀现象。

图4 南海西部某平台螺栓露天海上现场试验结果

从图4可以看出,露天海上现场试验1年后,渗锌螺栓表面无明显变化;热浸镀锌螺栓有较严重锈蚀迹象,螺纹腐蚀面积约50%;镀镉螺栓有较严重锈蚀迹象,螺纹腐蚀面积约70%;特氟龙螺栓、螺母受扳手等工具作用过的位置,涂层受到了破坏,螺纹上涂层已遭到破坏,螺纹有较严重锈蚀迹象,螺纹腐蚀面积约60%。

从海上现场试验结果来看,在南海西部海洋大气环境下,渗锌螺栓与特氟龙、镀镉、热浸镀锌螺栓相比具有较好的耐腐蚀性能。

1.5 分析讨论

渗锌层是一种Zn-Fe合金层,具有良好的耐腐蚀性能,它不同于纯Zn层。在潮湿大气、海水或其他电解质环境中,渗锌层作为牺牲性阳极可对钢铁制件进行保护。渗锌层主要是由Zn-Fe合金δ1相组成,δ1相中含Zn90%左右,含Fe10%左右。经测试,渗锌层的Zn-Fe合金相的标准电极电位为-0.65V,纯锌的标准电极电位为-0.762 V,铁的电极电位为-0.439 V。可见,渗锌层的电极电位低于铁,又高于纯锌,渗锌层与基体之间的电极电位差低于纯锌层与基体之间的电极电位差[3],即渗锌层可以对钢铁制件进行保护,但其腐蚀电流又小于纯锌与钢铁制件之间的腐蚀电流。另外,所形成的腐蚀产物如难溶性的碱式碳酸盐附着在渗锌层表面,对渗锌层起到了保护作用,因而降低了渗锌层的腐蚀速度,提高了保护层的耐腐蚀性能,增加了渗锌层的寿命。

试验表明,渗锌层具有良好的耐磨性(表4),渗锌涂层显微硬度为250～420HV,渗锌层硬度值取决于Zn-Fe合金中的Fe含量,随着涂层厚度增加,Fe含量降低,其硬度值也随之略有降低。从表4可以看出,渗锌涂层表面硬度是所有锌类涂层中最硬的[4],能够防止运输和施工过程中对工件涂层的破坏,而完好的涂层又能对防腐蚀效果起着重要作用。

表4 典型锌镀层硬度值与耐磨试验结果

2 在我国海上油田的推广应用

渗锌防腐新技术在涠洲油田群试验成功后,广泛推广应用于垦利3-2油田群开发项目、秦皇岛32-6油田综合调整项目等22个项目的70个海上平台(表5),渗锌螺栓均表现出了优异的耐腐蚀性能,避免了因螺栓锈死给设备安装、维修、更换过程带来的不便,改善了施工条件,降低了施工人员的工作强度,缩短了作业时间,得到了各界的好评。

表5 渗锌防腐新技术在海上油田的应用情况

3 结论

1)海上油田紧固件使用环境为高温、高湿、高盐雾、高紫外线照射的海洋大气环境,其工况极其恶劣,紧固件在使用前必须进行防腐蚀处理,但目前常用的防腐措施已经不能满足防腐要求。为此开展了螺栓表面渗锌防腐新技术试验评价,结果表明,经过渗锌工艺处理后的螺栓,其抗断裂载荷能力和硬度没有明显变化,主要力学性能满足相关标准、规范的技术要求;在海洋大气环境中,渗锌螺栓与电镀镉、热浸镀锌和特氟龙螺栓相比具有较强的耐腐蚀性能。

2)应用效果表明,渗锌防腐新技术为海上油田紧固件的防腐蚀处理提供了新的途径,可以推广到海上油田电缆托架、钢格栅板等其他钢构件上。

[1] 利亚霍维奇.金属和合金的化学热处理手册[M].孙一唐,译.上海:上海科技出版社,1986.

[2] 卢燕平,于福洲.渗镀[M].北京:机械工业出版社,1985.

[3] 马青华,付大海,董作敬.机械能助渗锌及其海洋环境防腐蚀效果[J].中国表面工程,2009,22(6):65-67,71.

[4] 吴勇,李春燕,刘邦贵,等.舰船零部件真空渗锌的性能及应用研究[J].热加工工艺,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

(编辑:叶秋敏)

石卫国,工程师,2006年毕业于西南石油大学机械工程及自动化专业,现就职于中海油能源发展股份有限公司上海采油技术服务分公司。地址:天津市滨海新区塘沽渤海石油路688号采技服机采车间三楼(邮编:300452)。电话:022-25807182。E-mail:shiwg2@ cnooc.com.cn。