热喷涂技术在石油化工中的应用

腐蚀和磨损是危害石油石化工业生产的严重问题。据调查，我国石油石化工业每年因磨损和腐蚀所造成的直接经济损失达数亿元。我国石油工业中的管道、储罐、油井套管等设施的腐蚀和磨损情况，随着我国油气田开发年限和设备使用年限的增长越来越严重；而我国石化工业中，随着进口高含硫原油的炼制，设备的腐蚀问题同样日益严重。所以，因腐蚀和磨损对设备安全稳定运行带来的不利影响会越来越突出，迫切需要提高石油石化工业中开采和加工设备的耐磨性和耐蚀性。
    对磨损、腐蚀造成零件失效的研究表明，这些失效大都发生在材料表面3-4。利用表面工程的技术手段对材料表面进行处理，改善材料的表面性能，会有效地延长零件使用寿命，因此，表面工程在石油石化工业中具有重要地位。
    热喷涂技术是表面工程中重要的表面处理技术，它是指在保持零件本体材料原有性能的基础上，通过在其表面制备一层具有优越性能的覆盖层，赋予零件表面耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、抗疲劳等多种性能。采用热喷涂技术的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，其厚度仅为结构尺寸的几十分之一，却使零件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等性能。即使采用性能优异的贵重、稀有元素，也不会显著增加成本。此外，热喷涂技术还能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化、修复、预保护，以达到延长使用寿命或重新恢复使用价值的目的。所以，采用热喷涂技术的经济效益和社会效益是十分巨大的。

二、热喷涂技术的特点及其常用方法

    热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线材或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体，在其上形成覆盖层。这种覆盖层称为喷涂层。
    与其他表面涂层技术相比，热喷涂技术具有以下特点：
    （1）方法多样。热喷涂方法多达十几种，为制备涂层提供了多种手段
    （2）涂层基体材料不受限制。热喷涂可以在几乎所有固体表面制备涂层，如金属材料、无机材料（玻璃、陶瓷）和有机材料（木材、布、纸）等。
   （3）喷涂材料的种类选择范围广泛。几乎所有的金属、合金、陶瓷、塑料等都可以作为喷涂材料。
   （4）被喷涂物体的尺寸、大小和形状不受限制。既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂。既可喷涂零件，又可对制成后的结构进行喷涂。 
   （5）可赋予普通材料以特殊的表面性能。可使材料满足耐磨、耐蚀、抗高温氧化、隔热、密封等特殊性能要求，达到节约贵重材料，提高产品质量，满足多种工程和尖端技术的需要。
   （6）涂层厚度较易控制。薄者可为几十微米，厚者可为几毫米。
   （7）成本低。经济效益显著。
    由此可见，热喷涂技术具有工艺灵活、适用性强、易于推广、经济及其他工艺所不能替代的特点，在表面工程中占据着重要地位。
    目前，在生产实践中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂（包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂。

三、热喷涂技术在石油石化工业中的应用现状

1、修复石油机械

    随着先进制造技术及设备工程学的不断发展，制造与维修将越来越趋于统一，“维修”已被赋予了更广泛的含义。1984年美国“技术评论”提倡旧品翻新或再生，并称为“重新制造”。重新制造所需能源约为制造新品的20%~60%，价格只有新品的40%~60%。许多采用热喷涂技术处理过的旧零部件，其性能要优于新品。
    石油钻机等设备中一些大功率曲轴，油田使用的各种重型车辆、拖拉机、柴油机的曲轴等磨损后均可采用热喷涂技术进行修复。如可采用电弧喷涂3Cr13涂层或等离子喷涂陶瓷涂层来修复。这样既可显著降低成本，又能延长设备使用寿命，尤其是可有效解决进口设备的修复问题。还可采用热喷涂方法恢复加工超差零部件或强化耐磨件表层。
    油田使用的各类泵的柱塞、缸套、叶轮等零件均可采用多种热喷涂方法进行修复。如可采用超音速火焰喷涂WC-12Co或等离子喷涂Al2O3等来修复和强化，也可采用电弧喷涂1Cr13钢丝进行修复。采用热喷涂技术修复后的柱塞使用寿命高于表面淬火柱塞，略低于工作表面喷焊镍基合金的柱塞。对于一些大直径柱塞，由于变形而无法采用喷焊进行修复时，热喷涂则不失为一种无变形、低成本的最佳修复方法。国内曾修复一个12吨的柱塞，喷涂层重达33公斤，涂层作封孔处理后，使用性能优于新柱塞，而成本只有新柱塞的1/4。油田注水泵电动机及炼油、盐化系统使用的大功率电动机转子，可采用热喷涂技术对其磨损的轴颈部位进行修复。

2、提高机械零件的耐磨性

    炼油厂的催化裂化装置，一般采用烟气能量回收系统。但由于烟气轮机是在带有固体催化剂微粒及有腐蚀介质的高温烟气流下工作，其动、静叶片等零部件易受冲蚀，其使用寿命只有2~12个月。而采用等离子喷涂技术在动、静叶片表面喷涂合金粉末，可提高动、静叶片的抗冲蚀磨损性能，从而延长烟气轮机的使用寿命。

3、喷涂石油机械零件

    耐磨耐蚀球阀：对于工作在温度达540℃，压力达140MPa的含有腐蚀性砂浆的管道中的金属座球阀，应用超音速火焰喷涂WC-Co涂层、Cr2C3-NiCr涂层、Fe-Cr-Ni-Mo涂层或WC-Ni涂层，可大幅度改善球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能，提高使用可靠性和寿命。抽油杆：为了适应腐蚀油井生产的需要，美国用AISI431不锈钢材料生产了不锈钢抽油杆，该抽油杆的特点是耐腐蚀性好，但成本较高。为了节约成本，美国ContinentalOilCompany利用AISI316不锈钢粉末，对API的C级和D级抽油杆进行了等离子喷涂，制成了喷涂不锈钢抽油杆，该抽油杆也具有防腐性能，但成本比不锈钢的要便宜。抽油泵柱塞：国内对油井抽油泵柱塞加工的一般方法有：表面镀铬、化学镀镍-磷和表面喷焊镍基合金。目前，热喷涂陶瓷涂层作为一种新的处理工艺已被用来制造抽油泵柱塞。采用热喷涂技术在柱塞表面喷涂87%Al2O3+13%TiO2的陶瓷材料形成陶瓷涂层。用这种方法制造的抽油泵柱塞。在含砂井中的运行时间可达两个多月。其寿命为传统工艺所制造柱塞的两倍。钻头：爆炸喷涂WC-Co涂层成功地用于钻头，提高了钻头的抗磨损、抗腐蚀和抗冲蚀能力，也可采用等离子喷涂工艺在人造金刚石钻头表面制备复合合金涂层。

4、容器、管道和塔的防腐

    油田使用的塔、罐、管道可采用电弧喷涂铝、锌、不锈钢等涂层防腐或采用火焰喷塑防腐。杜邦、联合化工、壳牌等公司在反应发生器内壁已大量使用线材喷涂不锈钢、司太立合金、钼和钛合金。采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂均可解决油田用各种锅炉管道的腐蚀和冲蚀问题。