不同表面处理工艺对闸阀材料12Cr13耐腐蚀影响研究_谢文献.pdf

腐蚀与防护第41卷第1期CORROSION AND CORROSION PROTECTION收稿日期:2022-06-07基金项目:中国石化胜利石油管理局科研项目“长寿命高压水井井口闸阀技术研究”(YG2002)作者简介:谢文献(1963-)，男，山东菏泽人，教授级高级工程师，学士，主要从事油田开发注采油工程研究工作。E-mail:xiewenxianslyt sinopeccom不同表面处理工艺对闸阀材料 12Cr13耐腐蚀影响研究谢文献1王丽叶2金玉寒3李永强1樊孝文2薛俊鹏21 中国石化胜利分公司胜利采油厂，山东东营257000;2 安工腐蚀检测实验室科技(无锡)有限公司，江苏无锡214000;3 胜利油田胜机石油装备有限公司，山东东营257000摘要:根据胜利油田的闸阀材料用金属调研结果发现，Cl是造成电化学腐蚀的关键因素，通常采用喷涂、激光熔覆等表面处理工艺来提高闸阀材料的耐腐蚀性能。以闸阀阀板和阀杆常用 12Cr13 马氏体不锈钢(以下简称12Cr13)基材为研究对象，采用超音速火焰喷涂技术和大气等离子喷涂技术分别在其表面制备 WC-Co-Cr 涂层和 Ni60 涂层，采用动电位极化曲线测试和电化学阻抗谱测试方法，研究 12Cr13 基材、WC-Co-Cr 涂层和 Ni60 涂层在不同 Cl浓度环境中的腐蚀行为和电化学特性。结果表明:不同 Cl浓度下，12Cr13 基材的耐腐蚀性能随 Cl浓度增加而降低;WC-Co-Cr 涂层和 Ni60 涂层在耐腐蚀性能上优于12Cr13 基材，其一是因为涂层起到屏障作用，能够有效阻止 Cl进入基材表面发生腐蚀，其二是因为涂层中的 Cr、Ni 元素能够在涂层表面形成致密氧化膜，阻止腐蚀发生。可利用动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试方法，对12Cr13 基材用不同表面处理工艺制备涂层的耐腐蚀性进行快速评价，相较于传统长周期腐蚀模拟浸泡实验而言，通过电化学系列实验评价可缩短表面处理工艺耐腐蚀评价周期，提高闸阀阀板及阀杆耐腐蚀表面处理工艺优化效率，对闸阀材料表面处理工艺的应用有一定参考意义。关键词:闸阀材料;超音速喷涂;等离子喷涂;耐腐蚀性能DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.015Study on the corrosion resistance of gate valve materials 12Cr13by different surface treatment processesXIE Wenxian1，WANG Liye2，JIN Yuhan3，LI Yongqiang1，FAN Xiaowen2，XUE Junpeng21 Shengli Oil Production Plant，Shengli Branch，SINOPEC，Dongying，Shandong，257000，China;2 ANGONG Corrosion Testing Laboratory Technology(Wuxi)Co，Ltd，Wuxi，Jiangsu，214000，China;3 Shengli Oilfield Shengji Petroleum Equipment Co，Ltd，Dongying，Shandong，257000，ChinaAbstract:According to the investigation results of metal for gate valve materials in Shengli Oil and GasField，it is found that Clis the key factor causing electrochemical corrosion Surface treatment processessuch as spraying，laser cladding are usually used to improve the corrosion resistance of gate valve materialsIn this paper，we select 12Cr13 substrate for valve plate and valve rod as candidate material，WC-Co-Crcoating and Ni60 coating were deposited on the surface of 12Cr13 by HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)311天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月thermal spray and plasma spraying technology respectively The corrosion behavior and electrochemicalcharacteristics of the three materials were studied by means of potentiodynamic polarization curve test andelectrochemical impedance spectroscopy test in different Clenvironment The results show that underdifferent Clenvironment，the corrosion resistance of 12Cr13 substrate decreases with the increase of Clconcentration The corrosion resistance of WC-Co-Cr coating and Ni60 coating is better than that of 12Cr13substrate The first reason is that the coating can effectively prevent Clfrom entering the surface of thesubstrate to cause corrosion Secondly，Cr and Ni components in the coating can form a dense oxide film onthe surface of the coating，thus preventing the occurrence of corrosion The corrosion resistance of coatings on12Cr13 prepared by different surface treatment processes was rapidly evaluated by potentiodynamicpolarization and AC impedance testing methods Compared with the traditional long-period corrosionsimulation immersion experiment，the corrosion resistance evaluation cycle of surface treatment process can beshortened by electrochemical experimental evaluation，so as to improve the optimization efficiency of corrosionresistant surface treatment process of valve plate and stem This study provides certain reference for theapplication of surface treatment process of gate valve materialsKeywords:Gate valve material;HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)thermal spray;Plasmaspraying;Corrosion resistance performance0前言闸阀是井口装置的重要部件之一，在油气领域应用广泛。由于油气田开采及集输处理中含有 H2S、CO2、高氯化物等腐蚀介质，给闸阀用金属材料带来了较高的腐蚀风险，严重的腐蚀可能导致闸阀失效和寿命降低。为提高闸阀服役时的耐腐蚀性，越来越多的油田选用高耐蚀性材料和金属表面涂敷技术来提高闸阀的服役寿命。12Cr13 马氏体不锈钢(以下简称 12Cr13)基材作为候选闸阀材料应用逐渐增多，但在长期高温高压环境或高含 Cl溶液中12Cr13 基材也会因电化学腐蚀产品点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀造成闸阀密封失效泄漏。因此，油气领域常采用表面氧化钝化、表面镀膜等表面处理工艺来进一步减少腐蚀的发生，增强闸阀材料的抗腐蚀能力。热喷涂涂层技术是工业上提升金属材料表面耐腐蚀性能的技术之一，常用的有爆炸喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂等热喷涂技术，喷涂材料包括镍基合金、碳化钨、哈氏合金、钴基合金等14。为了更好地研究不同表面处理工艺对闸阀材料电化学腐蚀性能的影响，本文通过超音速火焰喷涂技术和大气等离子喷涂技术分别在 12Cr13 基材表面制备WC-Co-Cr 涂层和 Ni60 涂层5，对 WC-Co-Cr 涂层和 Ni60涂层在不同 Cl浓度下的电化学行为进行了分析研究，为闸阀材料表面处理工艺的应用提供理论基础。1试验材料及测试方法1.1试验材料试验材料选用 12Cr13，化学成分见表 1。12Cr13 基材表面处理工艺分别采用大气等离子喷涂 Ni60 涂层技术和超音速火焰喷涂 WC-Co-Cr 涂层技术。表 112Cr13 化学成分表Tab1Chemical composition of 12Cr13元素标准质量分数实测质量分数C0.15%0.130%Si1.00%0.350%Mn1.00%0.560%P0.04%0.008%S0.03%0.001%Cr11.50%13.50%12.520%Ni0.60%0.076%Fe余量大气等离子喷涂技术是将 Ni60 粉末采用等离子喷涂的方法喷到基材表面获得合金层。喷涂前，采用丙酮溶液去除表面油污，待干燥后采用喷砂处理表面。Ni60粉末在喷涂前放入烘干箱中烘干，烘干温度 120，时间30 min。Ni60 粉末化学成分见表 2。具体喷涂工艺参数:送粉量为 1115 g/min，送粉速度为30 mm/min，喷嘴到工件距离为 203 mm，熔化温度为 1 200 120。制备的 Ni60 涂层表面硬度50 HRC，厚度1 mm。表 2Ni60 粉末化学成分表Tab2Chemical composition of Ni60元素质量分数C0.60%1.10%Cr15.00%17.00%B3.00%4.50%Si3.50%5.00%Fe17.00%O0.08%Ni余量411腐蚀与防护第41卷第1期CORROSION AND CORROSION PROTECTION超音速火焰喷涂 WC-Co-Cr 涂层的制备材料采用WC-Co-Cr 复合粉末(WC、Co、Cr 的质量百分比依次为86%、10%、4%)，粒径为 1545 m。喷涂前先对基材表面进行除油和喷砂去除氧化皮处理。WC-Co-Cr 复合粉末在喷涂前放入烘干箱烘干，烘干温度 120，烘干时间30 min。WC-Co-Cr 涂层喷涂工艺参数和涂层力学性能分别见表 3 和表 4。表 312Cr13 表面超音速火焰喷涂 WC-Co-Cr 涂层工艺参数表Tab3Parameters of HVOF sprayed WC-Co-Cr coatings on 12Cr13 surface空气压力/MPa燃油压力/MPa氢压/MPa氢流量/(L min1)氮压/MPa氮流量/(