CN107201491A - 一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法。本发明对隔水管套表面用丙酮进行擦洗，干燥，进行喷砂粗化处理，用粉芯丝材电弧喷涂隔水管套基体表面，隔水管套防护涂层厚度一般为100‑300μm，采用石棉包覆，密封处理。本发明克服了过去各种方法存在的各自缺陷。本发明的效果在于延长隔水管套的使用周期，降低使用成本，雾化充分，喷涂层均匀致密，涂层质量稳定，工艺简单可行，生产效率高，雾化颗粒的速度最高可达180～335m/s，电弧的使用温度可达4000～6000℃，高效节能、操作灵活、易于现场施工，减少生物腐蚀，维护成本较低。

Description

一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法

技术领域

本发明属于工程与材料科学，涉及表面涂层技术、防腐抗冲蚀涂层，特别涉及一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法。

背景技术

深水钻井隔水管在腐蚀性极强的海水中服役，需要承受各种交变载荷的作用，主要失效形式为腐蚀和腐蚀疲劳，被喻为深水钻井开发的“咽喉”。隔水管通常采用高强管线钢加工而成，目前普遍采用的防腐油漆涂层并不能满足深水钻井隔水管设计寿命的要求。海洋工程结构维修不便，保养费用昂贵，造成大量的人力物力财力的浪费，因此迫切需要研究更为长效的腐蚀防护涂层。

孔蚀是一种从金属表面向内部扩展形成的空穴或蚀坑状的局部腐蚀形态，一般直径小而深。虽然孔蚀的质量损失很小，却能导致设备腐蚀穿孔泄漏，发生灾害，是一种破坏性和隐患较大的腐蚀形态之一，是海洋工程设施中经常遇到的问题。

大量实践表明，表面涂覆涂层是提高材料耐磨防腐性能中最有效、最常用的一种方法，喷涂效率高，涂层质量好。电弧喷涂制备的涂层性能良好，寿命长，且热效率高、经济安全。在海洋结构物腐蚀防护领域电弧喷涂铝涂层已经有了许多工程应用实例，但铝涂层在海水中会发生点蚀、鼓包等失效现象，严重削弱了涂层对钢基体的保护作用。

CN 101451243B公开了一种钢结构电弧喷涂复合防腐蚀涂层体系的方法及工艺，该发明先将钢结构表面除锈、粗化，然后采用电弧喷涂阳极性金属涂层，再在金属涂层上依次涂覆纳米改性环氧封闭涂料作底漆涂层，环氧云铁涂料或纳米改性环氧云铁涂料作中间漆涂层，最后采用纳米改性含氟聚氨酯涂料或含氟聚硅氧烷涂料或硅氧烷改性丙烯酸聚氨酯涂料作面漆涂层。

CN 1904123A发明了一种钢结构超音速电弧喷铝重防腐涂层工艺，先将钢结构表面除锈、粗化，然后采用电弧喷涂机中两根铝丝为涂层材料，以短路电弧为热源，高压空气将熔解的铝液滴雾化，电弧喷涂机的喷枪口设有拉瓦尔风帽，形成二次雾化并产生超音速粒子射流直接喷涂到钢基体表面形成铝金属涂层，并在此涂层上喷涂或涂刷封闭涂层形成所述重防腐涂层。

因此，现有技术存在着现有方法加工工艺复杂、生产效率低、涂层质量不理想以及环境污染严重等问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其主要技术特征在于包含以下步骤：

(1)对隔水管套表面用丙酮进行擦洗，去除油污锈渍等杂质，然后进行干燥；

(2)对待强化的隔水管套表面用棕刚玉进行喷砂粗化处理；

(3)采用粉芯丝材，利用电弧喷涂工艺在预处理好的隔水管套基体表面喷涂，制备出具有高硬度的耐候耐蚀涂层，具体过程为：

隔水管套被专用夹具横向固定，喷涂丝材通过送丝轮从压缩空气喷嘴两侧源源不断的送进导电嘴，每个导电嘴都配有导电块在上面，导电块通过导线与直流电源连接，送丝轮对称分布在电弧喷涂装置两侧，喷涂丝材尖端接触产生电弧，电弧产生的热源加热融化喷涂丝材形成熔融颗粒，压缩空气通过压缩空气喷嘴使喷涂丝材雾化形成喷涂射流，在隔水管套基体上形成喷涂涂层，喷涂过程中隔水管套背部不断通有压缩空气；

(4)隔水管套防护涂层厚度一般为100-300μm，具体厚度可根据需求分多次实施喷涂获得；

(5)将喷涂好的工件采用石棉包覆，或直接置于空气中自然冷却；

(6)然后采用涂层密封剂对涂层进行密封处理。

所述步骤(1)中隔水管套可以是钢质、铝合金、钛合金、其他复合材料基体。

所述步骤(1)中棕刚玉粒度范围为16-24目，激活后的隔水管套表面粗糙度要求不低于Ra 7.0。

所述步骤(3)中粉芯丝材包括镍基合金粉芯丝材、铁基粉芯丝材、碳化物粉芯丝材以及铝锌复合粉芯丝材等。

所述步骤(3)中喷涂时采用的利用电弧将丝材熔化，形成熔滴，经加速撞击后形成涂层。

所述步骤(6)中涂层密封剂可以是硅液胶、磷酸和铝粉混合密封剂，聚酯树脂、氯化橡胶涂层、环氧树脂漆涂层以及高氯聚乙烯涂层，并对密封层进行技术处理。

本发明的优点和效果在于：

第一，本发明是防护涂层的新方法，应用该方法可显著延长隔水管套的使用周期，降低使用成本。

第二，合金材料具有耐高温、耐温差、硬度高和化学稳定性好的特性。电弧喷涂工艺，丝材熔化温度高，雾化充分，喷涂层均匀致密，涂层质量稳定，对工件的热应力没有影响，电弧喷涂层初期制备成本虽高于有机涂层，但对于要求长使用寿命的结构，电弧喷涂层的维护成本更低，在这方面可能会弥补较高的初期制备成本。

第三，电弧喷涂工艺简单可行，生产效率高，自动化程度高，雾化颗粒的速度最高可达180～335m/s，电弧的使用温度可达4000～6000℃。喷涂效率高，使用电和压缩空气，不用易燃气体，安全性大大提高，高效节能、操作灵活、适合大面积喷涂、易于现场施工等特点。该方法在生产加工过程中不产生对人体和自然环境有危害的物质，符合绿色环保的生产理念，同时，利用该方法可以修复因磨损失效的隔水管套，实现工件多次循环使用，符合可持续发展战略。且年平均维护成本较低。有资料显示：高速电弧喷涂的一次性投入比有机涂料高，但从综合的防护效果来看，热喷涂Al涂层的设计寿命最长可为50年(普通有机涂层一般为3-10年左右)，因此年平均防护成本反而较低。因此具有很好的经济效益。

第四，密封层通过技术处理，除能达到密封作用外，还能防止生物附着，减少生物腐蚀，大大延长隔水管套的使用寿命。

相比于专利CN 101451243B中涉及的一种钢结构电弧喷涂复合防腐蚀涂层体系的方法及工艺，采用火焰喷涂与电弧喷涂结合，本发明所涉及的喷涂工艺更为简单可靠，喷涂效率高，成本低，且喷涂过程对隔水管套基体热影响小，不会改变基体本身的组织与形状。

相比于专利CN 1904123A发明了一种钢结构超音速电弧喷铝重防腐涂层工艺。本发明采用粉芯丝材作为喷涂材料，使喷涂材料更易雾化，提高涂层沉积质量。另外粉芯丝材很大程度上解决了Zn-Al合金丝材拉拔难的问题。本发明中密封涂层经过特殊处理，可以有效防止生物附着。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1——本发明电弧喷涂原理示意图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

直流电源1，喷涂丝材2，送丝轮3，导电块4，导电嘴5，压缩空气喷嘴6，压缩空气7，电弧8，喷涂射流9，喷涂涂层10，隔水管套基体11，压缩空气12。

具体实施方式

针对现有方法加工工艺复杂、生产效率低、涂层质量不理想以及环境污染严重等问题，本发明提供一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，选取粉芯丝材，通过电弧喷涂工艺在隔水管套基体表面制备具有高硬度、耐磨损、抗孔蚀的防护涂层，并在涂层外部喷涂或涂刷通过技术处理的密封层，进而提高钻井隔水管套的质量，防止生物附着，并有效延长其使用寿命。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，所描述的实施例仅示例性说明本发明的原理与方法，而非用于限制本发明。基于本发明的实施例，本技术领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下对本发明的一些技术特征做出的替换和变形，都属于本发明保护的范围。

本发明所涉及的丝材原料、仪器、设备等均可从市场购得，或通过常规方法制备得到。

下面由实施例来具体说明本发明所有过程步骤和细节，如图1所示：

隔水管套11被专用夹具横向固定，喷涂丝材2通过送丝轮3从压缩空气喷嘴6两侧源源不断的送进导电嘴5，每个导电嘴5都配有导电块4在上面，导电块4通过导线与直流电源1连接，送丝轮3对称分布在电弧喷涂装置两侧，喷涂丝材2尖端接触产生电弧8，电弧8产生的热源加热融化喷涂丝材2形成熔融颗粒，压缩空气7通过压缩空气喷嘴6使喷涂丝材2雾化形成喷涂射流9，在隔水管套基体11上形成喷涂涂层10，喷涂过程中隔水管套背部不断通有压缩空气12。

实施例1：

1.用丙酮对隔水管套表面进行清洗以去除油污锈渍等杂质，清洗完成后立刻烘干以防止生锈。

2.用粒度为20目的棕刚玉对待喷涂的隔水管套表面进行喷砂粗化处理以提高涂层与基体间的结合强度，要求粗化后表粗糙度大于Ra 7.0。

3.选用直径为3.0mm的Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材。

4.在隔水管套基体表面上采用电弧喷涂涂层，喷涂时空气压力固定在0.6MPa，结合实际喷涂经验将喷涂电流和电压分别控制在110A、30V，喷涂距离180mm。

5.喷涂完成后立刻采用石棉包裹住工件置于空气中自然冷却，防止因急冷导致涂层开裂或剥落。

6.金属喷涂层的表面经清除灰尘和大颗粒后，在12小时内涂装一道密封剂，密封涂层干膜厚度为100-150微米。

Zn-Al-Mg-RE颗粒熔融良好，颗粒间结合紧凑，涂层组织致密，气孔率较低。通过技术处理的密封涂层可以有效封死涂层表面孔隙，防止生物附着。将此试件在3.5％NaCl溶液中进行腐蚀试验，取出试件，发现试件的复合涂层表面形貌没有变化，所有涂层表面均没有出现起泡、生锈、脱落等现象。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3中选用直径为3.0mm的FeCrBSiNb粉芯丝材；在步骤4中，在隔水管套基体表面上采用电弧喷涂涂层，喷涂时空气压力固定在0.7MPa，结合实际喷涂经验将喷涂电流和电压分别控制在120-150A、30-34V范围内调节。

将此试件在3.5％NaCl溶液中进行腐蚀试验，取出试件，发现试件的复合涂层表面形貌没有变化，所有涂层表面均没有出现起泡、生锈、脱落等现象。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1采用酒精清洗，步骤3中选用直径3mm的Al₂O₃/Al粉芯丝材；在步骤4中，喷涂电压30V、喷涂电流120A、喷涂气压0.6MPa、喷涂枪距120mm。

将此试件在3.5％NaCl溶液中进行腐蚀试验，取出试件，发现试件的复合涂层表面形貌没有变化，所有涂层表面均没有出现起泡、生锈、脱落等现象。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3中选用直径3mm的Zn-15wt％Al粉芯丝材；在步骤4中，喷涂电压32V、喷涂电流120A、喷涂气压0.7MPa、喷涂枪距150mm。

将此试件在3.5％NaCl溶液中进行腐蚀试验，取出试件，发现试件的复合涂层表面形貌没有变化，所有涂层表面均没有出现起泡、生锈、脱落等现象。

实施例5：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3中选用直径3mm的Fe-Cr-Ni粉芯丝材；在步骤4中，电流100A，电压30V，雾化压力0.7Mpa，喷涂距离为150mm，涂层厚度为0.3mm。

将此试件在3.5％NaCl溶液中进行腐蚀试验，取出试件，发现试件的复合涂层表面形貌没有变化，所有涂层表面均没有出现、起泡、生锈、脱落等现象。

Claims (6)

1.一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)对隔水管套表面用丙酮进行擦洗，去除油污锈渍等杂质，然后进行干燥；

(2)对待强化的隔水管套表面用棕刚玉进行喷砂粗化处理；

(3)采用粉芯丝材，利用电弧喷涂工艺在预处理好的隔水管套基体表面喷涂，制备出具有高硬度的耐候耐蚀涂层，具体过程为：

隔水管套被专用夹具横向固定，喷涂丝材通过送丝轮从压缩空气喷嘴两侧源源不断的送进导电嘴，每个导电嘴都配有导电块在上面，导电块通过导线与直流电源连接，送丝轮对称分布在电弧喷涂装置两侧，喷涂丝材尖端接触产生电弧，电弧产生的热源加热融化喷涂丝材形成熔融颗粒，压缩空气通过压缩空气喷嘴使喷涂丝材雾化形成喷涂射流，在隔水管套基体上形成喷涂涂层，喷涂过程中隔水管套背部不断通有压缩空气；

(4)隔水管套防护涂层厚度一般为100-300μm，具体厚度可根据需求分多次实施喷涂获得；

(5)将喷涂好的工件采用石棉包覆，或直接置于空气中自然冷却；

(6)然后采用涂层密封剂对涂层进行密封处理。

2.根据权利要求1所述的一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中隔水管套可以是钢质、铝合金、钛合金、其他复合材料基体。

3.根据权利要求1所述的一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中棕刚玉粒度范围为16-24目，激活后的隔水管套表面粗糙度要求不低于Ra7.0。

4.根据权利要求1所述的一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中粉芯丝材包括镍基合金粉芯丝材、铁基粉芯丝材、碳化物粉芯丝材以及铝锌复合粉芯丝材等。

5.根据权利要求1所述的一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中喷涂时采用的利用电弧将丝材熔化，形成熔滴，经加速撞击后形成涂层。

6.根据权利要求1所述的一种钻井隔水套管电弧喷涂防护涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(6)中涂层密封剂可以是硅液胶、磷酸和铝粉混合密封剂，聚酯树脂、氯化橡胶涂层、环氧树脂漆涂层以及高氯聚乙烯涂层，并对密封层进行技术处理。