专利名称：一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面的渗铝工艺，具体指一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺。
背景技术：
油套管是石油勘探开发中使用的主要用材之一，石油天然气工业需要大量不同规格的高质量套管(钢管)，套管费用占建井总成本的25 35%。随着我国西部油田和海上油田的开发及深井、超深井的开采，C02、H2S所引起的迅速全面腐蚀和严重的局部腐蚀，使管道和设备发生了早期腐蚀失效，造成了巨大的经济损失。因此，探索高性价比的油套管钢防腐技术意义显著。 渗铝技术是指在一定条件下，使得渗剂与工件界面活化反应得以进行，产生活性Al原子，并通过工件点阵内的空位、晶界、位错等快速扩散通道与Fe原子发生置换形成Al在钢中的固溶体及金属间化合物层，从而显著提高碳钢的耐腐蚀性能的防腐技术。与油套管表面涂镀、内衬不锈钢、玻璃管及投入缓蚀剂等防腐技术相比，渗铝技术具有与基体结合强度高、工艺稳定性高、有效保护周期长、经济性强等一系列特点，尤其是渗铝层具有耐高温氧化能力，可以防止高温、高压服役条件下油套管的腐蚀。 中、高温(700-1100°C )渗铝技术已在小型零部件、原油炼化部件、航空涡轮叶片等部件防腐方面获得了极大的成功。但中、高温渗铝技术无法处理油套管，这是因为1、油套管属于石油专用管，合金化程度较高，其基体微观组织、机械性能指标受相关标准严格限制，一般适用于碳钢的渗铝处理无法处理油套管钢；2、油套管钢为"淬火+回火"组织，且回火温度为500 65(TC，温度高于65(TC的渗铝处理将使油套管用钢组织发生奥氏体转变，显著改变油套管钢本身的组织，降低油套管的力学性能降低，使得工件性能劣化，无法满足油气井材料的使用要求。 专利号CN101165204A公开报道了 "一种石油专用油、套管低温粉末包埋渗铝剂"，它通过在包埋渗剂中加入稀土镧、锇、钼、锌等元素等作催渗剂，在45(TC保温8小时后，在套管N80钢表面获得了内层为锌在铁中的固溶体，外层为FeAl2、FeAl的渗铝层。但该技术中采用稀土元素，成本较高，且稀土元素的含量对渗铝层组织的影响极为敏感、难以控制。因此，开发一种低成本、可以稳定降低渗铝温度的低温渗铝技术是渗铝作为油套管钢防腐技术广泛应用的前提。
发明内容
本发明要提供一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺，克服通过改变渗剂降低渗铝
技术中渗剂种类、含量变化复杂，性能稳定性难以控制及成本较高等问题。 为解决上述问题，采用的技术方案为 —种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺，依次包括以下步骤 首先对油套管钢试样进行表面纳米化处理利用SNC-2金属表面纳米化实验机对油套管试样进行表面纳米化处理，获得厚度为50 90 m的纳米结构表层；
然后对经表面纳米化处理后的油套管钢试样进行渗铝处理渗铝工艺参数为，渗铝温度380 50(TC，渗铝时间6-10h ;渗剂组成及含量(质量百分比)如下金属源Al粉(10-35%， 150目)、Zn粉(10-35%， 150目)，活化剂NH4C1 (1-5% )，填充剂A1203 (余量，150目)。 SNC-2金属表面纳米化实验机的系统震动频率为50Hz，弹丸材料为GCrl5，直径为5mm，处理时间为90分钟。效果最好。 本发明开发了一种油套管钢表面低温包埋渗铝技术，旨在通过工件表面的纳米化结构层为活性Al原子的扩散提供快速通道，降低反应激活能，从而有效克服传统渗铝温度高、渗铝时间长，降低材料本身的力学性能问题，也有效避免了现有低温渗铝技术存在的问题，实现在低温条件下(380 500°C)对油套管表面渗铝改性，提高其抗腐蚀性能。本发明相对于现有渗铝技术，具有如下优点和效果 1.渗铝温度低、仅为380 50(TC，渗铝时间不超过10h ;这是 由于本发明对基材进行了表面纳米化处理，在基材表面获得了纳米结构表层，纳米结构表层内材料晶界所占整个晶体的体积比较由粗晶组成的基底材料显著提高。另一方面，纳米结构材料中存在着比粗晶材料高很多的非平衡缺陷(晶界、空位)浓度。与晶内扩散和反应扩散相比，晶界的空位浓度要远远高于晶内的空位浓度，需要的扩散激活能最低，扩散最易进行。因此，在对具有纳米结构表层的油套管用钢渗铝时，晶界扩散在包埋渗铝过程中占主导地位；同时，由于原子在非平衡缺陷中扩散所克服的能垒(激活能)要比完整晶体中的低得多，非平衡缺陷也可以成为Al原子扩散的捷径。以上两种扩散反应激活能低，既可以降低渗铝过程对温度的需求，又可以縮短渗铝时间。 2.渗剂种类简单，含量易于控制，工艺稳定性高；本发明中的渗铝剂采用Al粉、Zn粉为金属源，NH4C1为活化剂(1-5% ) ， A1203为填充剂，所用渗剂对渗层组织的影响规律简单，工艺稳定性和重复程度高。 3.可以在不损害油套管用钢原有力学性能的前提下，显著提高其抗腐性能；本发明的渗铝温度为380 50(TC，低于油套管钢的最终热处理温度，所以不会损坏油套管钢原有的力学性能；渗铝后的油套管钢表面会生成活性A1原子与金属基体的合金层，从而显著提高碳钢的耐腐蚀性能。与未渗铝油套管钢相比相同腐蚀条件下，渗铝油套管钢表面形成了致密连续的氧化膜，腐蚀形貌均匀平整。
图1是N80油套管钢试样低温渗铝前腐蚀形貌 图2是N80油套管钢试样低温渗铝后腐蚀形貌图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。 采用本发明提出的工艺对油套管N80钢进行低温包埋渗铝处理，油套管N80钢进行低温包埋渗铝处理步骤及渗铝效果如下 —、一种油套管钢表面低温包 渗铝工艺，依次包括以下步骤
首先对油套管N80钢试样进行表面纳米化处理，利用SNC-2金属表面纳米化实验机对油套管N80钢试样进行表面纳米化处理，系统震动频率为50Hz，弹丸材料为GCrl5，直径为5mm，处理时间为90分钟，获得厚度为50 90 y m的纳米结构表层。然后对经表面纳米化处理后的油套管N80钢试样进行低温包埋渗铝处理，该处理过程给出三个具体实施例
其中实施例1中渗剂组成及含量(质量百分比)为金属源A1粉(25%， 150目)、Zn粉(10%， 150目)、活化剂朋4(:1(1.5% )，填充剂A1A(63. 5%，150目);渗铝工艺参数(渗铝温度、时间)为500。C X6h。 实施例2中渗剂组成及含量(质量百分比)为金属源Al粉(20%， 150目)、Zn粉(14%， 150目)、活化剂朋4(:1(3% )，填充剂八1203(63%，150目)；渗铝工艺参数(渗铝温度、时间)为45(TC X8h。 实施例3中渗剂组成及含量(质量百分比)为金属源Al粉(20%， 150目)、Zn粉(14%， 150目)、活化剂朋4(:1(5% )，填充剂八1203 (61 %，150目)；渗铝工艺参数(渗铝温度、时间)为38(TC X10h。
二、低温渗铝处理效果 采用上述低温包埋渗铝工艺对套管钢N80进行处理，均可以获得厚度为50 90 ii m的渗铝层，与纳米化表层厚度基本一致，渗铝层与N80油套管钢基体之间呈锯齿状结合牢固、分布连续，Al元素在基体表面与渗层界面处呈梯度分布。渗铝处理后的油套管用钢在3. 5XNaCl溶液中连续腐蚀24h后，腐蚀形貌均匀，未出现明显的局部腐蚀(详见附图1)。
权利要求
一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺，依次包括以下步骤首先对油套管钢试样进行表面纳米化处理利用SNC-2金属表面纳米化实验机对油套管试样进行表面纳米化处理，获得厚度为50～90μm的纳米结构表层；然后对经表面纳米化处理后的油套管钢试样进行渗铝处理渗铝工艺参数为，渗铝温度380～500℃，渗铝时间6～10h；渗剂组成及质量百分比的含量如下10～35％的150目金属源Al粉，10～35％的150目Zn粉，1～5％的活化剂NH4Cl，余量为150目填充剂Al2O3。
2. 如权利要求1所述的一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺，其特征在于所述步骤1中SNC-2金属表面纳米化实验机的系统震动频率为50Hz，弹丸材料为GCrl5，直径为5mm，处理时间为90分钟。
全文摘要
本发明涉及一种金属表面的渗铝工艺，具体指一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺。本发明要克服通过改变渗剂降低渗铝技术中渗剂种类、含量变化复杂，性能稳定性难以控制及成本较高等问题，现采用的技术方案为一种油套管钢表面低温包埋渗铝工艺，依次包括以下步骤首先对油套管钢试样进行表面纳米化处理利用SNC-2金属表面纳米化实验机对油套管试样进行表面纳米化处理，获得厚度为50～90μm的纳米结构表层；然后对经表面纳米化处理后的油套管钢试样进行渗铝处理渗铝工艺参数为，渗铝温度380～500℃，渗铝时间6-10h；渗剂组成及含量如下金属源Al粉、Zn粉，活化剂NH4Cl，填充剂Al2O3。渗铝温度低；渗剂种类简单，含量易于控制，工艺稳定性高；效果好。
文档编号C23C10/50GK101775575SQ20101010110
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者王宇, 黄敏 申请人:西安石油大学