海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能评价

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403005

摘 要 以06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢、14Cr17Ni2马氏不锈钢、00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢作为钻井机械设备材料，利用电弧离子镀技术制备TiN、TiBN、TiBN/TiN涂层，选取包括物理性能、耐阴极剥离性能及耐浸泡性能等作为设备耐腐蚀性能评价指标，模拟海水气溶胶腐蚀环境，研究3种不锈钢材料在海水浸泡、5%NaCl盐雾腐蚀和老化腐蚀下的耐腐蚀性能。试验结果表明：钻井机械设备材料为00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，并镀TiBN/TiN涂层时，其耐腐蚀性能最突出。

关键词 钻井机械设备 耐腐蚀性能 不锈钢 气溶胶 盐雾腐蚀 TiBN/TiN涂层

中图分类号 TQ050.4+1   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0354?07

Corrosion Resistance Evaluation for Offshore Oil Drilling Machinery

ZHANG Chao

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.）

Abstract   06Cr18Ni11Ti austenitic stainless steel， 14Cr17Ni2 Marstenitic stainless steel， 00Cr22Ni5Mo3N duplex stainless steel were adopted in manufacturing drilling machinery， including making use of arc ion plating technology to prepare TiN， TiBN and TiBN/TiN coating， and selecting physical properties， cathodic stripping resistance and immersion resistance as the evaluation indexes of equipment corrosion resistance to investigate their corrosion resistance under seawater immersion， 5%NaCl salt spray corrosion and aging corrosion. The test results show that， the drilling machinery boasting of 00Cr22Ni5Mo3N duplex stainless steel and coated with TiBN/TiN coating has outstanding corrosion resistance.

Key words    drilling machinery， corrosion resistance， stainless steel， aerosols， salt spray corrosion， TiBN/TiN coating

（Continued on Page 391）

作者简介：张超（1977-），高级工程师，从事石油钻采装备、海洋平台钻井装备设计、建造、运维、管理工作，zupr02904@

126.com。

引用本文：张超.海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能评价[J].化工机械，2024，51（3）：354-359;391.

石油是支撑国家发展的重要能源，在现代社会发展中占据重要地位。我国海洋石油丰富，但开采难度较大，石油钻井设备是石油储量开采中必不可少的重要装备，对提高石油开采效率意义重大[1]。钻井机械设备长期工作于湿热、潮湿、海盐气溶胶环境之中，发生腐蚀的概率较高[2]。钻井机械设备腐蚀不仅会对其自身性能产生极大影响，降低其使用寿命，还会造成严重的安全风险，甚至危害海洋石油钻井平台的安全运行。石油开采管理部门现已充分认识钻井机械设备腐蚀危害，积极对其腐蚀影响因素进行分析，通过采取有效防腐蚀措施对钻井机械设备进行保护，以降低设备腐蚀程度[3，4]。王振华等对浸泡在人工海水中不同锡含量的Ni?Sn合金涂层的抗腐蚀性能进行研究，旨在通过在金属表面镀合金涂层从而提高其耐腐蚀能力[5];杜琮昊和白秀琴从海洋装备材料出发，将不锈钢、钛合金、铝合金3种材料浸入不同腐蚀溶液中，通过电化学试验等实现各材料抗腐蚀、抗摩擦性能的对比分析，从而完成海洋装备耐腐蚀性的差异性分析[6]。

设备材料与涂层性能的优劣对设备自身的耐腐蚀性能起决定性作用，钻井机械设备耐腐蚀性能评价是分析防腐蚀措施合理性的有效手段，是设备保护方案制定的依据，对延长钻井机械设备全寿命周期意义重大[7～9]。为此，笔者提出海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能评价方法，通过对浸泡于腐蚀溶液中的设备材料、涂层的抗浸泡性能等进行分析，实现对钻井机械设备耐腐蚀性能的综合评价，提高钻井机械设备的使用寿命，降低腐蚀对其的影响。

1 试验

1.1 腐蚀溶液配制与试验材料选择

试验用腐蚀溶液为模拟海水，其pH值为8，模拟海水腐蚀溶液的具体成分与含量见表1。

海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能在很大程度上取决于其制造材料自身的抗腐蚀能力[10～12]，笔者将06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢、14Cr17Ni2马氏不锈钢、00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢作为试验材料，通过线切割方法对各类型不锈钢进行处理，得到尺寸为50 mm×25 mm×2 mm的试样片，利用金相砂纸打磨其表面后，依次放入蒸馏水、乙醇、丙酮中清洗并取出，最后在干燥箱中作干燥处理。

通过电弧离子镀技术完成3种不同涂层的制备，分别为TiN、TiBN、TiBN/TiN涂层，其具体参数见表2。

1.2 试验测试

1.2.1 气溶胶腐蚀试验

制作一个正方形的玻璃试验箱，边长500 mm左右，箱体侧面打两个圆孔（实现气体的流通），直径20 mm左右，不锈钢试样片放置在玻璃支架上，模拟海水腐蚀溶液用烧杯盛装，超声雾化器放入腐蚀液中，并通过其中一个孔与箱体外的变压器相连[13]。通过变压器对标准电压进行处理，得到可实现超声雾化的24 V电压。雾化频率、温度、雾化量分别设置为1.5 MHz、20 ℃、120 mL/h，湿度在85%～90%之间。放入试样片后，将箱体封闭，对各不锈钢试样片分别进行1、3、5、7、15 d的气溶胶环境腐蚀试验。

具体试验过程为每种不锈钢的气溶胶腐蚀试验需要2个试样片、3个电阻探针，目的是完成失重分析和电阻测量值的确定、腐蚀率的计算。根据GB/T 16545—2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》完成失重分析。准备38%浓盐酸500 mL、去离子水500 mL，两者混合后加入20 g六次甲基四胺制得除锈混合溶液，将腐蚀后的不锈钢试样片放入其中，去除试样片表面腐蚀物后置于去离子水中，干燥箱处理24 h，测量试样片的质量，计算试样片的腐蚀速率X：

X=（1）

其中，W、W分别为腐蚀前后的试样片质量，A为表面积，t为腐蚀时间，D为试片密度。

1.2.2 电化学试验

将不锈钢试样片置于模拟海水中进行电化学试验，完成其极化曲线和交流阻抗谱的分析，其中以各个不锈钢为工作电极，参考电极、铂电极分别为饱和甘汞电极、辅助电极。

1.2.3 盐雾腐蚀试验

将涂层处理前后的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢试样片分别置于5%NaCl溶液（pH值介于6.5～7.2之间）中进行盐雾试验，试验温度范围33～37 ℃，持续对试样片进行70 d的喷雾，完成形貌特征分析。

1.2.4 附着力测试

磨砂处理00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，使其呈现银白色色泽后，将环氧底漆喷于其上，再利用电弧离子镀技术在其表面分别完成TiN、TiBN、TiBN/TiN涂层的制备。取一组试样片作老化加速试验，并分别测试300、700、1 400、2 300、3 500、

4 800、5 800、7 000 h老化后的附着力，并与老化试验前的附着力测试值进行比较，分析涂层的耐腐蚀强度。

1.3 耐腐蚀性能评价

海洋石油钻井机械设备工作在极端海洋环境中，高浓度海水及气溶胶等均会对其产生损害，这就要求钻井机械设备具有突出的耐腐蚀性能[14，15]。选取具有耐腐蚀性能的设备材料，通过涂层处理，提升钻井机械设备的耐腐蚀性能，从而保证设备的持续、安全运行。为实现海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能的全面评价，以海洋石油钻井机械设备防护要求和耐腐蚀性能影响因素作为评价依据，构建钻井机械耐腐蚀性能指标评价体系，从设备材料与涂层两方面入手，通过对多种不锈钢材料和涂层在抗浸泡性、耐盐雾、耐阴极剥离性能等方面的对比，选择适应海洋石油勘探环境的钻井机械设备防护措施。

海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能评价体系见表3。

2 海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能评价

本节对海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能进行评价研究，在测试过程中，严格控制试验条件，包括温度、湿度、气压及光线等环境因素，以及样品制备、操作流程、测试设备等试验过程因素，确保试验条件的统一性和稳定性，避免试验误差和偏差，提升试验结果与结论的可信性。

2.1 海洋石油钻井机械设备材料的影响

选取06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢、14Cr17Ni2马氏不锈钢、00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢作为海洋石油钻井机械设备材料，在模拟海水120 mL/h气溶胶环境下，得出不同腐蚀时间下3种不锈钢材料腐蚀速率的变化，结果如图1所示。

腐蚀速率的变化

分析图1可知，3种不锈钢材料在模拟海水120 mL/h气溶胶环境下的腐蚀速率曲线呈波动性走势规律，在腐蚀时间小于4 d时，3种不锈钢材料的腐蚀速率均呈增大趋势，之后腐蚀速率不断降低，经过9 d的腐蚀后，其腐蚀速率波动幅度开始逐渐减弱，直至16 d后，腐蚀速率降到最低。其中，00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的腐蚀速率始终低于其他两种不锈钢材料，06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢腐蚀速率居中，14Cr17Ni2马氏不锈钢腐蚀速率最高。腐蚀初期，由于腐蚀介质完全覆盖在不锈钢表面，故其腐蚀速率不断升高，随着腐蚀作用的进一步发展，不锈钢表面发生锈蚀，形成的紧密锈层起到了保护屏障作用，从而避免了腐蚀介质直接侵蚀内部不锈钢，因此腐蚀速率降低。

将3种不锈钢置于模拟海水中浸泡，通过各不锈钢材料的腐蚀电位-时间曲线分析其耐腐蚀性能，结果如图2所示。

分析图2可知，3种不锈钢放入模拟海水进行浸泡腐蚀，其腐蚀电位随着腐蚀时间的增长呈上下波动性变化，其中00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的自然腐蚀电位最高，波动区间为-200～-100 mV，腐蚀电位均值为-198.2 mV;06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的腐蚀电位在-300～-200 mV之间变化，腐蚀电位均值为-234.5 mV;14Cr17Ni2马氏不锈钢腐蚀电位处于-350～-400 mV之间，均值为

-371.6 mV。

结合图1、2，选择00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢作为海洋石油钻井设备材料，对提高钻井设备的耐腐蚀性能更有利。

2.2 涂层的影响

选择耐腐蚀性能突出的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢作为基材，通过电弧离子镀技术完成3种不同涂层的制备，分别为TiN、TiBN、TiBN/TiN涂层，各涂层处理后的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢分别用A、B、C描述，未作涂层处理的基材用D描述。将A、B、C、D不锈钢分别置于模拟海水中，对其作交流阻抗谱测试，通过对A、B、C、D不锈钢的Nyquist图进行分析，研究涂层处理前后不锈钢的耐腐蚀性能，试验结果如图3所示。

分析图3可知，涂层处理前后各不锈钢的交流阻抗谱均为单容抗弧，其中C的容抗弧半径最大，其后依次为B、D、A。这说明TiBN、TiBN/TiN涂层具有提高不锈钢基材耐腐蚀性能的效果;TiN涂层的耐腐蚀性能低于00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢基材，无法达到改善耐腐蚀性能的作用，这是由TiN涂层的柱状晶结构所致，其表现出的稀疏性特点使得腐蚀介质能直接穿透柱状晶到达不锈钢表面，既扩大了接触面，又提高了00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的腐蚀风险。TiBN涂层中加入B元素，使得其结构更密实，其中不仅有TiN晶体，还有TiB2、BN化合物，这是该涂层耐腐蚀性能优于TiN涂层的主要原因。TiBN/TiN涂层具有紧密的复合结构，在TiBN层、TiN层的交替作用下，使得其柱状晶结构被打乱，腐蚀介质难以渗入基材中，起到了很好的隔绝基材、降低接触概率的效果，使得00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢具有更突出的耐腐蚀性能。

在A、B、C不锈钢表面划叉，对有损伤的各不锈钢作800 h中性盐雾试验，通过扫描电镜（SEM）对腐蚀100、300、550、800 h后的不锈钢形貌进行观察，结果如图4～6所示。

分析图4～6可知，镀TiN涂层的A不锈钢的耐腐蚀性能最差，其次为镀TiBN涂层的B不锈钢，镀TiBN/TiN涂层的C不锈钢耐腐蚀性最强。B不锈钢经过100 h的盐雾腐蚀，其表面开始产生少量白色腐蚀物，当腐蚀时间达到300 h时，白色腐蚀物呈增多发展趋势，至550 h后，已有大量红色腐蚀物覆盖在B不锈钢上，至盐雾腐蚀试验结束，腐蚀层厚度增加，颜色增深。A不锈钢的腐蚀程度最严重，腐蚀300 h后即开始产生大量红色腐蚀物，继续进行盐雾腐蚀，腐蚀物数量不断增加，基本覆盖整个不锈钢表面。C不锈钢在盐雾试验结束时也未出现任何腐蚀问题，损伤部位仍完好。由此可确定，C不锈钢的TiBN/TiN涂层为阳极性涂层，腐蚀过程中能通过牺牲阳极达到保护基材00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的目的。

对不锈钢A、B、C分别作加速老化处理，对各不锈钢在不同老化时间下的附着力进行对比，结果见表4。

分析表4可知，不锈钢在老化腐蚀过程中，涂层的附着力呈不断减小趋势，经过2 300 h老化后，附着力下降幅度增大，5 800 h后降幅变小。试验结束后，A不锈钢的附着力比老化前降低了38.80%，降幅最大，这与其形貌特征观察结果一致;C不锈钢的老化腐蚀损失最小，其耐腐蚀性最强;B不锈钢老化腐蚀后附着力下降了16.71%，其耐腐蚀性介于A、C之间。

2.3 耐盐水性测试

为了进一步对海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能进行评价，以表3构建的性能评价体系为基础，选取其中的耐盐水性作为测试指标，将不锈钢A、B、C、D分别置于模拟海水中，得到石油钻井机械设备耐盐水性测试结果（表5）。其中，“合格”表示该样品的耐盐水性能良好，可以正常使用;“不合格”表示该样品的耐盐水性能差，需要进行改进或更换。分析表5可知，随着浸泡时间与浸泡液浓度的提升，以00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢为材料的钻井机械设备耐盐水性能逐渐降低。

3 结束语

为实现海洋石油钻井机械设备耐腐蚀性能的评价，对多种机械设备材料的腐蚀速率与腐蚀时间的变化关系、腐蚀电位时间曲线进行分析，确定最优耐腐蚀性能设备材料;然后，通过对镀不同涂层的不锈钢A、B、C与未涂层处理的不锈钢D进行模拟海水浸泡腐蚀、盐雾腐蚀、老化腐蚀、耐盐水性试验，结果表明：

a. 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢腐蚀速率最低，自腐蚀电位最大。

b. TiBN/TiN涂层的容抗弧半径大、自腐蚀电位高，可阻隔腐蚀介质渗入到基材中，经过800 h的腐蚀后材料未有形貌改变，涂层附着力的下降率小，其耐腐蚀性能最强。

c. 在以00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢为材料的钻井机械设备上，通过电弧离子镀技术镀TiBN/TiN涂层，可有效提升钻井机械设备的耐腐蚀性能。

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-05-22，修回日期：2024-04-25）