热喷涂技术及其在天然气管道中的应用
谌 哲，杜 磊，兰 宇等
上海涂料
摘 要：结合热喷涂技术的工艺方法、涂层材料技术和发展现状，介绍了其在天然气管道中的应用，讨论了面临的问题并提出了相应对策。
关键词：热喷涂工艺；涂层；天然气管道；防腐
0 前言
20世纪80年代以来，我国大陆天然气探明储量和产量持续快速增长，已经形成川渝、新疆、陕西长庆、青海以及南海等陆上和海上气区，累计探明可采储量2.66万亿m3。根据《天然气管网布局及“十一五”发展规划》，2006~2010年期间，我国将基本形成覆盖全国的天然气基干管网，规划建设天然气管道大约1.6万km，到2010年，天然气管道总长将达4.4万km。
在天然气开采以及集输处理过程中，由于各类环境因素、储存和输送介质的特性等造成管道金属的腐蚀非常普遍，影响因素非常复杂。据统计，天然气管道50%的泄漏问题是由腐蚀直接引起的，每年因金属腐蚀造成的直接和间接损失高达数十亿元，甚至导致人员伤亡和中毒等重大安全事故［1-2］。因此，如何长期有效地抑制腐蚀是消除事故隐患、保障安全运行、降低生产成本的重要环节。热喷涂表面处理技术，是一种非常有效的天然气管道防腐技术。尤其是我国近年来在四川、新疆和吉林等地连续开发了多个大型富含硫化氢和二氧化碳的酸性和高酸性天然气田，这类酸性天然气集输管道的腐蚀条件极其恶劣，热喷涂防腐技术是一种很好的选择。
1 热喷涂工艺方法
1.1 热喷涂技术的原理和特点
热喷涂技术是使基体（零件）表面强化和防护的一门技术，它是利用电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末或丝状的金属或非金属喷涂材料加热熔化或软化，使之在热源或外加高速气流的作用下雾化，形成熔滴，并以一定速度喷向预处理过的基体零件表面，形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。与其它表面处理技术比较，热喷涂技术具有一些突出的特点：①取材范围广；②可用于各种基体；③可使机体保持较低温度，基材变形小；④工效高，操作程序少，速度快；⑤被喷涂物件的尺寸无限制；⑥涂层厚度可控制在几十微米到几毫米；⑦可赋予加工材料以耐磨、耐蚀、抗氧化、耐热、导电、绝缘等表面性能；⑧成本低，经济效益显著［3-5］。
1.2 热喷涂技术的分类
热喷涂技术最初应用于航空航天和国防工业，目前已成为机械制造和设备维修的基础工艺之一。热喷涂根据热源和材料不同可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂，后者又包括大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂；③电热类，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。目前最常用的热喷涂方法有超音速喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂和火焰喷涂，其工艺特性对比见表1［6-7］。
1.3 热喷涂工艺的选择
根据不同的应用环境、条件和要求，需要选择合适的热喷涂工艺。热喷涂的工艺选择可依据以下原则：
（1） 涂层结合力要求不高，喷涂材料的熔点不超过2 500℃，可采用设备成本低的火焰喷涂。
（2） 对涂层性能要求较高的某些比较贵重的机件，应采用等离子喷涂。
（3） 工程量大的金属喷涂施工宜采用电弧喷涂。
（4） 要求高结合力、低孔隙度的金属或合金涂层可采用超音速喷涂；要求高结合力、低孔隙度的金属或陶瓷涂层则可采用低压等离子喷涂；爆炸喷涂可用于重要零部件的强化。
（5） 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。
（6） 安全性要求特别高的机件，选择喷涂工艺及材料前须进行试验和论证。
1.4 热喷涂的基本工艺
热喷涂的基本工艺包括：基体表面预处理、喷涂、表面热处理和涂层封孔处理、涂层表面的精加工。
（1） 基体表面预处理：喷涂方法选定之后，还要选定预处理工艺，包括去油、除锈、表面粗糙化。
（2） 喷涂：喷涂施工时，必须确定合理的工艺参数，以控制喷涂质量。包括：①喷涂热源条件，即燃料种类及和氧混合的比例；②材料输送，即输送气体的种类、速度、流量以及输送位置和角度；③喷涂材料，包括材料成分、物理性质、粉末形状、粒度、线料或棒料直径等；④机件的基体成分、基体温度、性能、表面处理方法；⑤喷涂操作，包括喷枪与机件的距离，喷枪或机件的移动速度，喷枪与机件的角度，喷涂气体介质等。
（3） 涂后处理：涂后要立即进行封闭处理或热处理。
（4） 精加工：喷涂后，涂层需进行磨削加工以保证尺寸精度。
此外，喷涂施工时必须注意安全防护工作，包括：防止高速高温的喷涂射流对人员和设备的危害；对喷涂粉尘的防尘和通风；对喷涂噪音和喷涂弧光辐射的安全防护。
2 热喷涂涂层
2.1 热喷涂涂层的特点
与有机高分子涂料靠乳液高分子聚集和粘合作用形成涂层不同，热喷涂是将喷涂材料以高温高速喷涂到基体表面，依靠喷涂材料与基体表面的机械结合、半冶金结合和物理结合等方式形成涂层。热喷涂材料按形状可分为线材和粉末，其中线材的喷涂设备简单，工艺因素影响小，涂层质量稳定；而粉末则不受成型工艺的限制，组元间可按任意比例调配，形成特殊的相组织从而实现某些特殊性能。热喷涂材料一般具有以下特点：①热稳定性好，能耐高温；②使用性能好，可满足各类不同涂层的使用性能；③润湿性好，涂层与基体的结合强度高，涂层平整；④固态流动性好（粉末），可保证送料的均匀性；⑤热膨胀系数合适，能防止喷涂后冷却过程中发生涂层龟裂。
2.2 热喷涂涂层的分类
热喷涂涂层根据其用途主要分为防护涂层、强化涂层和特殊功能涂层，其具体类别和分类详见表2。
2.3 热喷涂涂层的设计和选择
热喷涂涂层种类繁多，涂层的选择和设计不仅要符合通用原则，更要重视工件工作的介质、温度、受力、工件的材质、组织、尺寸以及涂层的结合强度、硬度等。具体选择涂层时需要考虑以下因素：①工艺方法的可能性；②工作环境，包括承受的应力或冲击力。工作温度、腐蚀介质和腐蚀环境、涂层与其它零件配合表面和连接表面的材料和润滑情况等；③涂层性能要求，包括涂层的表面功能（如表面状态和表面光洁度等）、涂层的化学性能、结合强度、孔隙率、硬度、金相组织、耐磨性能等；④基体材料的特征，包括基体材料的化学成分和性能、零件的尺寸和形状、喷涂部位的表面状态等；⑤非复合或复合涂层的选择。
2.4 涂层封闭
由于热喷涂技术的特点，与有机涂层相比，其涂层结构不够严密，表面通常还存在一定比例的孔隙和缺陷，腐蚀介质能渗透浸入到基材形成腐蚀，故必须采用封闭涂料进行涂层封闭处理。作为热喷涂涂层专用的封闭涂料，除了具有常规涂层所需的抗大气、水、海水、盐雾、有机溶剂和石油产品等腐蚀外，还必须与热喷涂涂层有极好的相容性和易渗透性，以达到封闭补孔效果。目前所使用的热喷涂封闭涂料一般为环氧和有机硅涂料，针对不同的热喷涂工艺和涂层材料，开发有各类不同的产品，包括钝化底漆、封闭底漆和功能面漆等。据中石油西南油气田股份公司的应用经验表明：封闭涂料必须与热喷涂工艺进行配套开发才能取得最佳效果，目前国内产品这方面仍较国外产品有较大差距。
3 热喷涂在天然气管道中的应用
3.1 热喷涂在石油天然气工业中的应用
热喷涂在石油工业中得到了广泛的应用，已成功用于石油勘探、开采等设备的修复和防护。热喷涂涂层已成功用于石油钢管、海洋平台的长效防腐。胜利油田井下作业工程安装公司引进的电弧喷涂技术，较好地解决了金属防腐的难题，填补了油田金属防腐的空白。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和强化。
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。在黄岛油库和秦皇岛输油公司首站的油罐外表面使用过此种技术。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。
美国德克萨斯州和路易斯安娜州采油井架、海上油管喷锌，加两道乙烯基铝粉漆喷铝0.16 mm，加乙烯铝粉漆，经过25年后检查，涂层完好。英国北海钻井平台采用喷涂铝涂层和封闭技术，长期运行防腐效果良好［8-9］。
3.2 热喷涂在天然气管道中的应用［10-11］
我国所产天然气中很大一部分为含硫化氢和二氧化碳的酸性天然气，从开采井口到净化厂之间的集输管道中输送的天然气中含有硫化氢、二氧化碳、高矿化度气田水（富含氯离子）和有机硫等多种腐蚀介质，同时还存在泥沙、凝析油和蜡等复杂多相成分，加上输送温度和压力高，气体流速快，伴随的腐蚀相当严重。尤其是管道弯头和连接部位，不仅有化学和电化学腐蚀作用，还伴随有较强的冲刷腐蚀，一直是工程防腐中的难题。
热喷涂防腐技术，以在金属表面喷涂锌及铝从而形成防腐涂层为主。锌涂层作为牺牲阳极对金属基体进行保护。铝涂层则以致密的氧化薄膜对金属基体进行隔离防腐，特别是在与TiO2复合使用时，不仅具有很强的附着力，而且有极好的韧性，能够抵抗由于金属基体变形对涂层产生的破坏。而α晶形的氧化铝具有很高的硬度，可以提高涂层的耐磨性能。此外，高温下铝涂层可与铁发生反应形成抗高温氧化保护层，具有一定的耐高温氧化能力。
针对酸性油气田地面集输管道的特点，中石油川西北气田对其集输管道的弯头采用了超音速火焰喷涂处理，涂层材料以Al2O3和TiO2为主，使管道弯头的使用寿命由以前的1~3 a延长到了10~15 a。但由于所采用的热喷涂工艺技术条件要求苛刻，国内的工艺技术水平还难以达到需求，只能将需处理的工件送往国外的专业厂家进行处理，导致成本高昂，限制了该技术的全面推广和应用。
中海油青岛基地针对其海上开采和集输的特点，针对海水冲刷腐蚀，采用火焰热喷涂和封闭涂层相结合的天然气输送管道外防护涂层技术，有效地提高了管道的耐海浪冲刷性和海水腐蚀性能，延长了管道寿命。
3.3 热喷涂纳米涂层技术的发展和应用
近年来，随着热喷涂技术的迅速发展以及纳米技术的重大进展，两者相结合的热喷涂纳米结构涂层技术正成为热喷涂领域一个重要的发展方向。目前，利用热喷涂技术制备纳米涂层主要采用2种方式：（1）制备具有部分纳米特征的宏观涂层。即将含量相对较少的纳米颗粒加入传统涂层中，使涂层成为纳米颗粒弥散强化的、具有一定纳米特征的复合涂层；（2）制备完全由纳米颗粒构成的涂层，赋予涂层优异的工程性能［12-14］。
李春福、王戎等人将AT13粉掺杂纳米级颗粒Al2O3+13 wt%TiO2 的复合粉进行等离子喷涂［15］，并对其应用于天然气井油管进行了实验。实验结果表明：掺杂纳米颗粒的粉末平铺性能好，涂层组织均匀性提高；纳米颗粒的加入使涂层残余应力降低；掺杂纳米颗粒的涂层组织结构优于常规涂层，在相近硬度条件下，摩擦系数降低，耐磨性能提高了30%以上，可使油管耐腐蚀性提高近1倍。
4 结语
在解决石油天然气工业中腐蚀和磨损问题的各类技术手段当中，热喷涂技术已被证明是一种非常有效和成功的技术，在天然气管道上的应用也已取得了一定的成果，积累了经验，为其进一步推广应用奠定了良好的技术基础。但目前国内热喷涂技术与国外相比还有较大差距，其应用仍存在工艺稳定性不高、专业操作人员水平较低、数量不足、设备开发能力较弱、涂层孔隙率较高、封闭漆的性能和配套性较差等问题。针对这些问题，可采取以下对策：
（1） 结合国家倡导的自主知识创新和产业升级政策，进行产学研联合，开发热喷涂纳米涂层等新技术、新工艺，并建立成果小试、中试放大和产业化应用一条龙式产品创新和开发体系；
（2） 开发完整和配套的技术工艺体系，包括前处理、涂层材料加工、热喷涂和封闭涂料，培训操作人员，建立专业的技术支持和施工服务队伍；
（3） 在石油天然气行业推广和建立工程设备全寿命成本评估的概念和方法，以真正体现和实现热喷涂技术的成本优势，并促进其在天然气管道防腐中的全面推广和应用。
参考文献略
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