頁巖氣地面管道20#鋼與碳化鎢涂層彎頭沖蝕性能研究

張新發 徐軍 陳世波

1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室

3川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司

威遠頁巖氣某平臺測試流程單元頻繁發生彎頭刺漏事故，嚴重影響了頁巖氣的正常生產。經分析，造成事故的主要原因為高流速含砂氣流對彎頭造成的沖蝕。頁巖氣開采是通過加砂壓裂人造裂縫形成油氣通道，將氣體從地層引流至井筒然后進入地面裝置開采出來。排液生產階段以及生產初期，頁巖氣中含砂量較大，在高速氣流作用下很容易將管道彎頭沖蝕刺穿[1-3]，而且彎頭外側最容易被沖蝕[4-5]。因此，如何降低彎管的沖蝕磨損程度，提高彎管的耐磨性，是保障頁巖氣采輸管道安全運行的關鍵。本文采用超音速等離子噴涂工藝在彎管內表面噴涂碳化鎢涂層來提高彎頭抗沖蝕性能，相關結論對今后彎管抗沖蝕表面處理方面的研究有一定參考價值。

1 試驗方法及條件

使用氣固沖蝕試驗機（圖1和圖2）對20#基體和制備的碳化鎢涂層耐沖蝕性能進行研究。選用多棱型剛玉作為磨粒（直徑范圍180～240 μm，硬度2 000～23 00 HV），其微觀形貌見圖3。根據沖蝕情況選定20°、30°、50°、70°、90°5個沖擊攻角，風速20 m/s，含砂量80 g/min，沖蝕時間5 min，試驗完成后用超聲波對試樣進行清洗，稱重并測量體積或質量損失。試驗前后的試樣均須經丙酮超聲波清洗，待干燥后用電子分析天平（精度0.01 mg）稱量其質量損失，計算沖蝕率。沖蝕率是沖擊到靶體表面的單位質量磨料（或沖蝕粒子）所磨蝕掉的靶體（即被沖蝕物）材料的質量（用E表示，單位mg/g）或體積（mm3）。對于不同材料或鍍層試樣的沖蝕評價，應根據各自密度換算成體積損失表征沖蝕率（20#密度為7.86 kg/m3、碳化鎢密度為15.63 kg/m3）。另外，采用TAYLOR-HOBSON型表面輪廓儀測定表面沖蝕坑深度來表征沖蝕率。用HITACHIS-570 型掃描電子顯微鏡（SEM）對沖蝕后試樣的表面形態和失效機理進行觀察和分析。

圖1 氣固兩相沖蝕設備Fig.1 Gas-solid two-phase erosion equipment

圖2 沖蝕原理Fig.2 Erosion principle

圖3 沖蝕粒子（多棱型剛玉）微觀形貌Fig.3 Micromorphology of erosion particles（polygonal corundum）

2 試驗結果分析

2.1 不同材質的沖蝕規律

圖4和圖5分別為20#鋼和碳化鎢涂層不同沖蝕角度下的宏觀形貌。由圖可見，兩種材質在不同角度下的沖蝕痕跡相似：低角度時沖蝕輪廓呈橢圓形，高角度時沖蝕輪廓呈圓形。由表1 和圖6 可見，隨沖蝕角度增大，20#鋼材料沖蝕速率降低，抗沖蝕性能增強，20°時沖蝕速率最大，90°時沖蝕速率最小，即20#鋼在低角度下不耐沖蝕，在高角度下耐沖蝕。塑性材料和脆性材料的磨損機制不同[6-7]，這種變化規律與已有文獻資料中介紹的典型塑性材料最大攻角出現在15°～30°處一致[8]。

圖4 20#材料不同沖蝕角度下沖蝕宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of 20#material at different erosion angles

圖5 碳化鎢涂層材料不同沖蝕角度下沖蝕宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of tungsten carbide coating material at different erosion angles

隨沖蝕角度增大，碳化鎢涂層沖蝕速率先增大后減小，50°時沖蝕速率最大。在沖蝕磨損過程中，磨粒的初動能是造成材料沖蝕磨損的根源。初動能分為水平初動能和垂直初動能，水平初動能對材料表面進行切削、犁削，垂直初動能造成材料表面應力應變的加劇直至部分材料剝落，所以沖蝕磨損過程包括被沖蝕材料的變形位移和已變形位移部分的脫落。碳化鎢涂層對抵抗變形位移有利，但對已發生變形位移部分的脫落不利[9]，所以在水平初動能和垂直初動能的共同作用下，碳化鎢涂層在沖擊角度50°時沖蝕速率出現最大值。

表1 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕量及抗均勻沖蝕率計算結果Tab.1 Calculation results of erosion rate and uniform erosion resistance of 20#steel and tungsten carbide coating

圖6 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕量隨沖蝕角度變化趨勢Fig.6 Erosion rate of 20#steel and tungsten carbide coating changes with erosion angles

對比兩種材料的試驗結果，碳化鎢涂層在所有沖蝕角度下抗沖蝕性能均優于20#鋼，抗沖蝕性能可提高近85%。

采用TAYLOR-HOBSON 型表面輪廓儀測定表面沖蝕坑深度。由表2 和圖7 可見，隨沖蝕角度增大，兩種材料沖蝕坑最大深度呈增大趨勢，碳化鎢涂層沖蝕坑最大深度小于20#鋼，抗局部沖蝕性能優于20#鋼，抗局部沖蝕性能可提高近95%。

表2 20#鋼和碳化鎢涂層表面沖蝕坑深度測量結果及抗局部沖蝕率計算結果Tab.2 Measurement results of erosion pit depth on surface of 20#steel and tungsten carbide coating and calculation results of local erosion resistance rate

圖7 20#鋼和碳化鎢涂層沖蝕坑深度隨沖蝕角度變化趨勢Fig.7 Erosion pit depth of 20#steel and tungsten carbide coating changes with erosion angles

2.2 不同材質的沖蝕機理

圖8 為20#鋼不同沖蝕角度下的微觀形貌。由圖可見：20#鋼材料為塑性材料，低角度（20°和30°）沖蝕時有明顯的切削溝槽，主要為微切削機理；中角度（50°和70°）沖蝕時試樣表面出現凸起較高的擠出唇片，砂粒對試樣表面的顯微切削作用減小，沖擊擠壓作用增強；高角度（90°）沖蝕時試樣表面出現明顯沖蝕坑，砂粒對試樣表面沖擊以擠壓鍛打機理為主。圖9為碳化鎢涂層不同沖蝕角度下的微觀形貌。由圖可見：低角度沖蝕時有明顯的犁溝，為微切削機理；高角度沖蝕時，鑿切力基本消失，涂層僅受正面沖擊，不斷發生彈塑性變形，形成沖擊凹坑[10-11]，所以高角度沖蝕為擠壓鍛打機理。

圖8 20#鋼在不同沖蝕角度下的微觀形貌Fig.8 Micromorphology of 20#steel at different erosion angles

圖9 碳化鎢涂層在不同沖蝕角度下的微觀形貌Fig.9 Micromorphology of tungsten carbide coating at different erosion angles

3 結論

20#鋼沖蝕速率隨沖蝕角度增大而降低，沖蝕角度為20°時沖蝕最嚴重；碳化鎢涂層沖蝕率隨沖蝕角度增大先增大后減小，50°時沖蝕最嚴重，抗沖蝕性能較20#鋼提高近85%。20#鋼和碳化鎢涂層低角度沖蝕時為微切削機理，高角度沖蝕時以擠壓鍛打機理為主。