鍍液組分對Ni-Sn-P合金鍍層組織性能的影響

任 康，董 會

（西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710065）

完整的石油套管對石油管安全運行開發具有重要的影響意義，但在高礦化度（高溫高壓條件）下，碳鋼廣泛應用受到限制[1]，因而十分必要對管道性能進行提升，常見的化學鍍技術由于其性能較好的原因被廣泛應用[2]。但在苛刻的環境對二元合金鍍層產生很大的限制，國內外學者采用添加第三元素來改善鍍層的性能。最常見的Ni-Sn-P鍍層，在性能上得到較好的完善。

基于以上考慮，本文采用梯度法研究鍍液配方對鍍層性能的影響規律，進而為Ni-Sn-P合金鍍層在油氣田的應用及其安全開發提供良好應用價值。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

實驗采用X70油套管作為基體。其用于化學鍍的試樣規格為50mm×10mm×3mm。基體試樣制備逐級打磨至1200#，用丙酮除油，去離子水、無水乙醇超聲清洗10 min，冷風吹干備用。

1.2 制備工藝

X70鋼在實驗前，先對材料進行預處理，將試樣放入88±2℃的NaOH除油10min，再進行室溫條件2min的敏化，然后在0.1g/L PaCl2中活化2min，酸洗活化結束后，將試樣采用去離子水清洗，放入配置好的鍍液中進行施鍍。

1.3 實驗設計

分別對氯化鎳濃度進行梯度設置，制備Ni-Sn-P合金鍍層具體的試驗方案以及得到的元素含量、施鍍時間如表1所示。本實驗采用對制備的鍍層表面形貌、鍍液失效時間及其元素組成作為評判指標。將NiCl2·6H2O的濃度分別設置為20、30和 40g/L。

表1 NiCl2·6H2O對元素含量及其施鍍時間影響

1.4 鍍層性能檢測

采用掃描電鏡觀察不同鍍液配方下制備的Ni-Sn-P鍍層表面形貌，并用電鏡附帶的能譜儀（EDS）測定鍍層表面的元素成分，對每種鍍層表面進行五個元素區域測定，確定元素組成的平均值。

2 結果與討論

2.1 形貌分析

通過不同鍍液組分制備的Ni-Sn-P合金鍍層，可以看出，Ni-Sn-P合金鍍層均由明顯的胞狀結構構成。在NiCl2·6H2O質量濃度為20g/L，鍍層表面胞狀結構沉積較少，鍍層表面很難形核。繼續增加含量，鍍層的形核率更高，胞狀結構的尺寸更小，鍍層表面的結構致密均勻，未產生裂紋及其孔隙。當質量濃度增加為40g/L，鍍層表面結構增大，產生大小不等的凸起，表明繼續增加NiCl2·6H2O的質量濃度對于形核率具有抑制作用，在此條件下鍍層的形核率很低。

Ni2+含量較少時，鍍層表面的形核率較少，離子很難沉積，導致鍍層產生的結構不均勻。在質量濃度為30g/L時，對鍍層的沉積速率有較好的提升作用，產生穩定的活化中心，產生均勻致密的鍍層。加入過量的鎳鹽時，在鍍液中形成游離的Ni2+含量過大，可產生大量的自催化活化中心，導致鍍液過早失效。對鍍層的沉積和致密性能均有抑制作用。見圖1所示。

圖1 不同NiCl2·6H2O質量濃度制備的Ni-Sn-P合金鍍層

2.2 失效時間分析

當鎳鹽的含量較小時，在表面形成的自催化活化中心較小，離子很難沉積在基體表面。隨著含量的增大，鍍層表面產生的活性中心逐漸均勻，使得鍍層表面沉積速率加快，鍍液的穩定性得到提升。但是隨著鎳鹽含量的繼續增大，鍍液內易產生亞磷酸鎳沉淀，對鍍層的穩定性能產生很大的抑制作用。在此條件下，可產生額外的活化中心，導致鍍液多個部位發生氧化還原反應，導致鍍液在很短的時間內發生失效。可以看出，在鍍液配方中NiCl2·6H2O的最佳質量濃度為30g/L，此時鍍液的施鍍時間最長，在此鍍液中，施鍍時間為14min。見圖2。

圖2 NiCl2·6H2O變化對鍍液失效時間的影響規律

2.3 腐蝕試驗

將制備的鍍層在3.5%的NaCl溶液中進行浸泡24h后，分析其腐蝕速率。可以看出，30g/L的Ni-Sn-P合金鍍層的失重最小，其耐蝕性能最好。與鍍層的配方及其施鍍時間有關，由于在此條件下結構致密、形核率高及其組織結構均勻的原因，腐蝕性離子很難穿過鍍層腐蝕到基體，起到良好的陽極保護作用，使得鍍層的耐蝕性能最好。

圖3 不同Ni2+含量的Ni-Sn-P合金鍍層在3.5%NaCl中浸泡的腐蝕速率

3 結論

1） 通過化學鍍方法制備的Ni-Sn-P合金鍍層均為非晶態結構，表面均是由胞狀結構構成。改變鍍液配方對鍍層中Ni的含量變化影響不大。2） NiCl2·6H2O對鍍液的失效時間呈現先增加后減小的趨勢。主要是由于鍍液內NiCl2·6H2O質量濃度為10g/L時，在鍍液內產生的活化中心較小，產生施鍍不均勻的結構。增加為30g/L時，鍍層產生均勻的活化中心，導致鍍層施鍍均勻。過量的NiCl2·6H2O導致鍍液內產生大量的活化中心，較短時間發生大量的氧化還原反應使得鍍液發生分解。3）在3.5%的NaCl中浸泡1d后，20g/L的NiCl2·6H2O鍍層表面分布不均勻，導致鍍層的耐蝕性較低；在30g/L時，鍍層均勻的組織及其長時間的施鍍對基體起到良好的保護作用。過量的NiCl2·6H2O導致鍍層施鍍較薄的原因，耐蝕性能得到很大程度的降低。4）綜合正交試驗鍍層成分、評級、表面形貌及其鍍液失效時間和腐蝕性能，確定鍍層中NiCl2·6H2O的最佳配方為30g/L。