季楚凌，李長俊

(西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500)

沖蝕磨損是指材料在受到小而稀松的流動粒子的沖擊時其表面發(fā)生破壞的一類磨損現(xiàn)象，其定義可以描述為固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對運動時，其表面材料所發(fā)生的損耗［1］。對于特定的油氣集輸管道來說，由于在開采及其它環(huán)節(jié)中會產生一定的雜質，管輸介質中常含有一定數(shù)量的固體顆粒，這些含砂流體沖擊管道內壁并對其造成一定程度的沖蝕磨損，最終影響正常的生產并有可能造成管道的泄漏。而之前眾多專家學者的研究結果表明，當含砂流體流經彎管、異徑接頭、三通、閥門等管道局部件時，其自身流域的物理形狀會使得固粒在更大程度上偏離流線，從而對壁面造成更為嚴重的沖蝕磨損［2-5］。

目前，在油氣集輸管道上常用的耐磨方法是涂敷耐磨涂層，且主要使用有機涂層，但是有機涂層在實際生產中所起到的耐磨作用較為有限，并不能對集輸管道內壁起到很好的保護作用，而近年來，不同材料耐磨涂層的制備及應用情況不斷被報道。本文較為系統(tǒng)地總結了各類耐磨涂層的耐磨機理及在管道上的實際使用情況，在此基礎上進一步介紹了提高各涂層耐磨性能的技術改進方法，并對其在油氣集輸管道上的應用進行了展望。

1 管道耐磨涂層研究進展

1.1 有機涂層

現(xiàn)今國內外油氣管道(包括油氣集輸管道)上常用的有機耐磨涂層的材料主要有粉末環(huán)氧樹脂、聚氨酯、環(huán)氧酚醛樹脂等［6］，而其中比較著名的產品包括英國伍德公司的COPON、德國杜邦公司的Permecor 及我國自主研制的AW-01 等［7］。有機耐磨涂層在固體顆粒沖擊下的沖蝕磨損機理與塑形、脆性材料涂層均不相同，相關的研究結果表明［8-9］，當固體顆粒以一定的速度沖擊涂敷有機涂層的靶材時，涂層表面所受的剪切應力會使得其中心區(qū)域發(fā)生環(huán)狀開裂，并引起初步的涂層與基體分層現(xiàn)象;而在此后，無論是在較小角度還是較大角度下，固體顆粒的持續(xù)沖擊會使得基體與涂層之間的結合部受到較大的壓應力作用，當壓應力大于塑形管材基體的屈服強度時，塑形基體與有機涂層均會發(fā)生屈服現(xiàn)象，而兩者屈服程度的不同則會導致之前分層區(qū)域的不斷擴大，并最終引起有機涂層的脫落。

對于有機涂層制備方法的研究始于20 世紀40年代，并且經過多年的發(fā)展，現(xiàn)有的有機耐磨涂層主要由基料、填料及固化劑組成，其中基料主要選用環(huán)氧樹脂，而填料直接決定著涂層的性能，因此可以通過添加不同的填料來改善原有有機涂層的耐磨性［10］。Wetzel 等［11］在環(huán)氧樹脂基料中添加了體積分數(shù)為1% ～2%的微米級CaSiO3和納米級Al2O3顆粒，并通過測試證明了在加入上述粉末增強相后有機涂層的耐磨性能可大幅增強。而在耐磨性能及機理的研究方面，除了需要進行相應的實驗測試外，Wang 等［12］于2009 年、Gong 等［13］于2012 年均采用將有限元算法及無網(wǎng)格算法相結合的方法來建立沖蝕磨損的耦合模型，運用SPH 方法的光滑質點對涂層及金屬基體的受沖擊中心區(qū)域進行建模，而其余部分均采用傳統(tǒng)的有限元方法建模，通過將數(shù)值模擬結果與實驗結果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)這種方法可以解決原先采用有限元法時有機涂層受沖擊區(qū)域變形量較大時網(wǎng)格扭曲的問題，因而對于有機涂層沖蝕磨損動態(tài)過程的模擬更為準確。

總的來說，雖然現(xiàn)有的有機涂層具有涂裝工藝簡單、技術成熟等優(yōu)點，但是，較之陶瓷涂層及金屬合金涂層，有機涂層的耐磨性仍然較差。因此，有機涂層作為耐磨材料主要適用于固粒濃度較小的長輸管道(如西氣東輸管道)，而對于固粒濃度較大的油氣集輸管道，應在使用前對有機涂層在特定條件下的耐磨性能進行評估，否則極易造成其成片分層脫落。

1.2 陶瓷涂層

陶瓷涂層屬于典型的脆性材料涂層，因此其沖蝕磨損機理包括應力疲勞斷裂及脆性斷裂兩種模型，并且沖蝕磨損機制的轉化主要與顆粒的法向沖擊速度相關［14-15］。如圖1 固體顆粒沖擊陶瓷材料表面示意圖中所示，當法向沖擊速度較小時，固體顆粒只能對陶瓷材料造成彈塑性變形，而并不能造成其磨損;當固粒的法向沖擊速度達到一定的值時，陶瓷材料由于受到固體顆粒長時間的反復沖擊而使得其應力超過本身的強度，橫向及徑向裂紋得以產生并以一定的速度擴展，最終造成陶瓷材料的沖蝕磨損，此即應力疲勞斷裂模型;而當固粒的法向沖擊速度較大時，陶瓷材料在少數(shù)幾次沖擊下就會產生橫向及徑向裂紋，并且這些裂紋的擴展速度較快，最終造成材料流失，此即脆性斷裂模型。

圖1 固體顆粒沖擊陶瓷材料表面示意圖Fig.1 Illustration of solid particle impacting ceramic material surface

現(xiàn)有的陶瓷涂層的制備方法有很多種，其中，Shin 等［16］利用氣相沉積法制備得到了陶瓷涂層，并對其微觀組織結構和機械耐磨性能進行了相應的研究。朱昱等［17］綜述了激光表面改性技術在金屬基陶瓷涂層制備中的應用，指出利用激光表面改性技術在金屬基體表面上能制備出耐磨、耐腐蝕和耐高溫的陶瓷涂層，并對其未來的發(fā)展方向進行了展望。對于陶瓷涂層的制備，除了上述兩種方法外，還有熱噴涂法、離心法、包埋法等多種方法。而對于陶瓷涂層耐磨性能及機理的研究主要是運用實驗研究與數(shù)值模擬相結合的方法來進行，例如，Griffin 等［18］建立了多顆粒沖擊帶有氧化鋁陶瓷涂層的金屬基體的數(shù)值模型，運用拉伸失效準則作為判斷涂層單元是否失效的基準，通過統(tǒng)計失效單元來計算沖蝕磨損速率，并由此評價涂層的耐磨性能，通過將計算結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比可以證明數(shù)值計算模型的準確性。

由于陶瓷涂層的制備工藝相對較為復雜，因此在油氣集輸管線上進行全線的涂裝較為困難，但對于那些處在顆粒低角沖擊(此時法向沖擊速度較小)下且沖蝕磨損情況較為嚴重的局部件，例如彎管、異徑接頭、大開度下的閥門等，可以在其沖蝕磨損集中區(qū)制備陶瓷涂層，預計將會取得較好的耐磨效果。

1.3 金屬合金涂層

金屬合金涂層屬于塑形材料涂層，其沖蝕磨損機理可以通過微切削模型［19］來進行解釋。如圖2固體顆粒沖擊金屬合金材料表面示意圖中所示，對于塑性材料來說，當受到高角沖擊時，其自身的彈性應變能夠吸收沖擊能量，從而使其材料表面免受損失;反之，當顆粒對材料表面進行低角沖擊時，沖擊和摩擦產生的表面應力會引起裂紋并造成材料損失。若顆粒棱角比較銳利(圖2(a))，則其向前的滑動會使金屬合金表面的材料就像被車刀車削一樣從磨粒前方被去除;而若顆粒棱角不夠銳利(圖2(b))，那么金屬合金材料表面會發(fā)生犁溝變形，固體顆粒一邊向前推擠材料，一邊將材料犁向溝槽兩側，同樣造成材料損失。

圖2 固體顆粒沖擊金屬合金材料表面示意圖Fig.2 Illustration of solid particle impacting metal alloy material surface

現(xiàn)有金屬合金涂層的制備方法也有很多，其中，Zhou 等［20］利用超音速火焰噴涂(HVOF)技術制備得到了Fe48Cr15Mo14C15B6Y2合金涂層，通過研究發(fā)現(xiàn)該涂層呈現(xiàn)致密的層狀結構，并且這種結構上的優(yōu)點使得其具有優(yōu)良的耐磨性能。黃標等［21］利用激光熔覆技術在45 號鋼表面制備了FeCoCrxNiB 高熵合金涂層，并對其組織結構和耐磨性進行了一系列的觀察和測試，研究結果表明FeCoCr0.5NiB 涂層的耐磨性最高。除了上述介紹的制備方法外，還有熔融法、沉積法、電弧噴涂、等離子噴涂等多種方法。而對金屬合金涂層耐磨性能及機理的研究主要是運用實驗研究與有限元顯示動力學模擬相結合的方法來進行的，其中，Wang 等［22］運用有限元方法中的顯示動力學模塊分析了沖蝕速度、沖蝕角、沖蝕顆粒尺寸等不同影響因素對于塑形及脆性材料沖蝕磨損特性的影響，通過與前人實驗數(shù)據(jù)的對比驗證了數(shù)值模型的準確性，并由此進一步分析塑形及脆性材料各自的沖蝕磨損機理及相關的影響因素。

與陶瓷涂層類似，現(xiàn)有工藝的復雜性使得在油氣集輸管線上進行金屬合金涂層的全線涂裝較為困難，此外，若在集輸管道上運用金屬合金涂層時，需要重點分析其在特定條件下的耐腐蝕性能，尤其是當集輸管道中輸送CO2、H2S 等含量較高的強腐蝕性介質時，不宜使用金屬合金涂層。但對于那些處在較弱腐蝕性介質的環(huán)境中、顆粒高角沖擊下且沖蝕磨損情況較為嚴重的局部件，例如T 型三通、小開度下的閥門等，若在其沖蝕磨損集中區(qū)制備金屬合金涂層預計會取得較好的耐磨效果。

2 耐磨涂層技術改進方法

2.1 材料改性處理

材料改性處理是從材料本身的耐磨性能方面入手，通過對原涂層材料進行改性來提高涂層的耐磨性或解決某些涂層在管道內壁上制備工藝復雜的難題。有機涂層的改性處理除了之前文獻［11］中所介紹的添加CaSiO3、Al2O3等現(xiàn)今常用的固體粉末增強相外，一些專家學者嘗試使用橡膠等彈性體材料對有機涂層進行處理，利用橡膠顆粒脫膠或斷裂后所形成的孔洞的塑性體膨脹和顆?；蚩锥此T發(fā)的剪切屈服形變使原有有機涂層的韌性大大增強，于晶［23］將橡膠材料混入有機環(huán)氧樹脂材料中，開發(fā)出高強耐磨蝕復合材料，實驗結果表明這種復合材料涂層可以有效緩解過流部件的磨蝕問題;對于陶瓷涂層來說，對其進行的改性處理主要包括提高耐磨性及簡化制備工藝兩方面，在提高耐磨性方面，Richard 等［24］運用熱噴涂法在金屬管材基體表面制備得到了Al2O3-TiO2納米陶瓷結構涂層，并且納米陶瓷涂層表面結構的致密性使其耐磨性能較傳統(tǒng)陶瓷涂層提高很多，但是在實際應用時還需要解決在噴涂過程中納米顆粒易沉積以及如何抑制納米晶在噴涂過程中長大等問題。在簡化制備工藝方面，為使陶瓷涂層能夠方便高效地涂裝于集輸管線上，可以考慮將陶瓷粉末加入膠粘劑溶液中制成粘稠狀膠體后再進行涂裝，吳瑞娟［25］將骨料MgO、TiO2、Al2O3處理后加入計量的膠粘劑磷酸二氫鋁溶液中用強力電動攪拌器分散至粘稠狀，混合均勻后制得陶瓷涂料，并將其涂覆在尺寸為D108 ×5 的X80 管線鋼上，測試結果表明這種陶瓷涂料的附著力與抗沖擊性均能達到相關的要求;而對于金屬合金涂層，常在其中混入WC、TiC 等無氧碳化物陶瓷粉末以增強其耐磨性，Zhou 等［26］運用激光技術制備得到了鐵基WC 復合涂層，并觀察了其微觀組織結構，測試結果表明，在相同條件下涂覆該涂層后AISI 1045 鋼材的磨損速率比原來減小了2 倍。

2.2 非光滑耐磨表面的加工

非光滑耐磨表面是通過一定的成型方法加工得到的具有一定耐磨減阻功能的仿生表面，它通過改變原有固體顆粒的運動軌跡來達到提高涂層耐磨性的目的。仿生非光滑耐磨表面在各個領域發(fā)展迅速，且主要的表面形態(tài)有橫槽型、縱槽型、凹坑型、凸包型等［27-28］，但是在油氣管道上的應用仍然較少，主要原因是在管道內壁上加工這類表面還比較困難，而近三年來哈爾濱工程大學趙剛教授的課題組對油氣輸送管道中涂層上的非光滑表面的成型機理進行了研究，并成功研制了管道內壁加工機器人，該機器人通過運用熱輥壓的方法在天然氣輸送管道的有機涂層上加工出微米級的凹坑型耐磨表面［29-30］，預計該方法可以提高原有機涂層的耐磨減阻性能，但其具體的耐磨減阻效果還需實驗驗證。

3 結論與展望

各類耐磨涂層有其各自不同的耐磨機理，因此日后在油氣集輸管線上進行耐磨處理時應根據(jù)各集輸管道的實際沖蝕磨損環(huán)境、各類型管道局部件的不同特點、各類耐磨涂層的特點來選用最為合適的耐磨涂層，而為了進一步拓展不同種類耐磨涂層在油氣集輸管道中的應用，應積極開展以下工作:

(1)對陶瓷涂層及金屬合金涂層的制備方法進行改進，以使其能在油氣集輸管線上進行大范圍乃至全線的涂裝。

(2)深入研究經改性處理后的復合材料耐磨涂層的沖蝕磨損有限元模型，通過數(shù)值模擬與實驗研究相結合的方法從機理上分析并解釋其耐磨性能提高的原因。

(3)進一步研究橫槽型、縱槽型、凸包型等其它非光滑表面的成型方法，通過現(xiàn)場測試檢驗其在油氣集輸管線上的耐磨減阻效果，并優(yōu)選出耐磨性能最好的非光滑表面形態(tài)。

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