給油氣工具穿上最強「戰甲」

Hardide公司的化學氣相沉積(CVD)塗層技術能夠延長工具在惡劣環境下的使用壽命。

來自 | E&P

編譯 | TOM 葡萄

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在過去十年中，缺乏發現新的傳統油氣藏，油氣儲量也不斷下降，這促使油氣行業研發更加經濟可行的技術，以在更苛刻的地理與地質條件下提高油氣產量。

在惡劣的環境中，工具受到衝擊載荷與高壓作用，會出現變形、造成裂縫、削蝕、進而引發致命的設備故障。此外，海水、含有腐蝕性硫化氫的酸性油氣、含有二氧化碳的原油以及酸性流體都會迅速造成腐蝕破壞，尤其是在磨損與沖蝕條件下，會加快腐蝕速率，導致工具過早失效。

目前塗層技術包括超音速火焰噴塗(HVOF)、鍍硬鉻(HCP)、物理氣相沉積(PVD)，以及新興的複合化學鍍鎳與爆炸焊接。雖然這些技術在某些應用中取得了成功，但是它們仍存在一定的局限性。

Hardide-T化學氣相沉積(CVD)塗層技術通常用於油氣行業中，它在許多關鍵領域比上述塗層技術表現得更為優異。它屬於新型納米結構鎢/碳化鎢塗層系列，可用於承受高磨損、磨蝕、腐蝕與振動載荷的工具。

該塗層技術適用於各種形狀複雜的工具，只需要保證內外表面光滑。這些工具包括井下工具、壓裂工具、可回收封隔器、傳動器、控制閥與水下泵。

該技術是將低壓氣相原子結晶為固態，形成一個均勻無孔的塗層。該結晶過程為一動態過程，期間微孔與瑕疵都會被逐漸填充，因此無需密封處理。

石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns

碳化鎢-鈷HVOF塗層（下圖）的孔隙度為2.55%，碳化鎢CVD塗層（上圖）的孔隙度為0%。

分散的碳化鎢納米粒子賦予了材料更高的硬度，而且可以控制與調整硬度，使不同類型塗層的硬度範圍介於800維氏硬度與1600維氏硬度之間。CVD塗層一般應用厚度為50μm。

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性能測試

CVD塗層提高了工具的抗腐蝕、抗磨蝕與抗其他化學腐蝕的性能，同時疲勞壽命與韌性也得到了提高。

傳統使用的塗層技術，如鍍硬鉻、熱噴塗以及電鍍工藝，都會產生一些微孔隙與微裂縫，這些孔隙裂縫會在載荷作用下變大延伸，進而使流體侵蝕基材。密封處理可提高耐腐蝕性，但是存在一些限制，例如有機密封劑受到最大使用溫度的限制。而且，隨著塗層不斷磨損，之前深層隱藏，未進行密封處理的孔隙會最終暴露出來。

根據美國材料試驗協會B117-07a標準，證實了無孔隙CVD塗層的優越性能。將低碳鋼板分別用HCP、HVOF與CVD塗層工藝進行處理，並進行480小時的中性鹽霧試驗。帶有HCP塗層的樣品腐蝕嚴重，經過288小時的試驗後即被淘汰出局。帶有HVOF塗層的樣品則出現明顯銹斑，鋼板由於受到嚴重腐蝕，塗層都已經開始起泡。而CVD塗層的樣品僅有輕微銹斑。

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三種不同塗層樣品經過鹽霧試驗後的腐蝕情況：左圖為288小時後的鍍硬鉻塗層樣品，中圖為480小時後的CVD塗層樣品，右圖為480小時後的HVOF塗層樣品。

抗磨損

利用Phoenix TE77 高頻往複試驗機測試CVD塗層的抗磨損性能。該實驗將圓柱體置於平板上，往複滑動摩擦，並逐漸將圓柱體上的載荷從10N增至800N，這相當於810.2百萬帕的表面壓力，同時監測摩擦係數的變化，摩擦係數超過1.0則表明磨損嚴重。

利用一個不鏽鋼針做基準測試，當試驗載荷剛增至65N，摩擦係數就達到1.0，最終因為樣品卡住了，只能停止摩擦試驗。而帶有CVD塗層的鋼針進行測試時，摩擦係數保持在0.2不變。並且，即使試驗機載入到最大載荷，仍沒有觀察到任何磨損現象。

相比之下，HCP塗層的摩擦係數為0.6至0.8，比CVD塗層的三倍還要高，噴塗塗層的摩擦係數穩定在0.56-0.61之間。

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硫化物應力開裂

根據防腐工程師協會標準中的30天硫化物應力開裂實驗，Bodycote Materials Testing公司測試了CVD塗層抗腐蝕性流體的性能。實驗是在質量分數分別為5%氯化鈉與0.5%乙酸的飽和硫化氫混合溶液中進行的。樣品在變形條件下進行測試，塗層伸長率高達3000微拉氏。實驗發現，未經過塗層處理的樣品在整個20毫米寬的範圍內發生開裂，形成大量微裂縫與點狀腐蝕，而經CVD塗層處理的樣品基材沒有任何開裂或腐蝕現象。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns

耐形變、壓實與磨損性能

在微米與納米級的測試中，帶塗層的樣品被壓入100納米後沒有發生斷裂，金剛石角錐壓痕測試也未能形成開裂。在這兩種測試中，該塗層都沒有表現出脆性，因此其斷裂韌性超過了常用方法測量的水平。

根據美國材料與試驗協會G65標準進行耐磨損實驗，實驗表明該塗層的磨損程度要比耐磨鑄鋼低40倍，比硬鉻塗層低12倍，比熱噴塗低4倍。

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實際技術需求，增長潛力

2017年9月，Hardide塗層公司宣布與Master Flo Valve公司合作，保護高溫高壓海底節流閥。

該流量控制公司需要對節流閥閥桿總成採用一種新的塗層解決辦法。這種塗層需要耐溫能力高達204攝氏度（400華氏度），這一要求直接篩除掉所有的標準塗層工藝，並且還要求耐壓達20000psi。同時耐磨，耐腐蝕與耐侵蝕也都是至關重要的。另外，塗層需要耐用並且能夠拋光成非常光滑的表面。

所有這些特性對於保護工具的金屬對金屬密封至關重要，該密封件需要在海底環境中可靠地運行數百個周期，比如運用在單相流生產井或多相流生產井中，以及注水、注化學劑或注汽井中。

目前，CVD塗層被用於MFV P4-15k與P4-20K水下栓接帽狀節流閥的表面硬化，同時也被推廣應用於防噴器裝置中。

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