水下采油树Xylan工艺的研究

许淑峰(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

在我国四大海区中，南海不仅海域辽阔，而且油气资源丰富，开发潜力巨大，开发南海资源，对保障我国能源安全和维护国家海洋权利具有重要战略意义[1]。而开采这些海底石油就必须要使用到大批的水下采油设备，其中水下采油树是水下采油树设备中的核心设备，为了保证采油树设备的耐腐蚀性及密封性，Xylan涂层技术在水下采油树得到了普遍应用，该涂层技术有效的保证了水下设备的防腐性能，并为实现采油树的功能起到了关键的作用。

1 Xylan涂层测试技术要求

Xylan涂层是美国华福生产的一种涂料商标，是一种聚四佛乙烯(PTFE)防腐涂层，对金属表面进行表面处理后，进行喷涂加工起到保护金属的效果，在防海水腐蚀，抗化学品腐蚀，抗磨损等方面表现出色，是一种在耐磨损、不粘、耐高温、持续性腐蚀环境中应用的保护微涂层，是一种采用磷化作为底涂、PTFE防腐涂层作为面涂的复合涂层。

Xylan涂层薄但是却具有自润的性能，特别适用于水下精密设备配合的表面防腐蚀。

磷化作为Xylan涂层的底涂，其性能的好坏直接决定了Xylan整体性能的优良，而在一般的Xylan涂层中，一般采用相对致密的锌磷化作为底涂，故我们选择锌磷化+Xylan涂层作为研究对象，对Xylan涂层工艺的各个过程展开研究。

在Xylan系统涂层中，对于磷化未做明确规定，因此，使用了两款磷化涂层做了对比研究，使用同样的试块进行同样测试，并规定了如下技术要求，如表1所示。

在技术参数确定之后，针对整个涂层进行了分步验证，同时分别在试块和产品上进行试验，以最终确认涂层的有效性。

2 试块涂层测试

2.1 磷化涂层测试

根据本体的材质，选择在和采油树设备重要零件同种材质并同炉热处理的QTC上切取规格分别为6 mm×75 mm×150 mm、3 mm×51mm×75 mm的试块。

2.1.1 磷化液准备

(1)磷化液配比。首先准备两种不同的磷化液，并且按照生产厂家的要求，将磷化液浓度配置到可接受范围，并用滴定的方法进行测试确认，滴定实验过程为，先取磷化溶液10 mL，再往里边滴定三滴酚酞指示剂，然后用0.1N氢氧化钠滴定直到颜色变红为止，整个过程如下图(图1～图3)所示。

表1 涂层技术参数要求

图1 开始前

图2 滴定过程中

图3 滴定完成

滴定完成后，读取氢氧化钠消耗量，确定消耗量是否在范围内。

(2)磷化液加温 使用可控温度加热槽，按照厂家推介的磷化温度值，将磷化液加温到磷化的使用范围内，如图4所示。

图4 使用可控加热槽加热磷化液

2.1.2 表调液准备

按照厂家推介的参数调配表调液，表调液呈透明状白色乳浊液，表调液完成如图5所示。

图5 表调液准备

2.1.3 磷化预处理

脱油、除锈。脱油方面，使用清洗剂进行脱油，除锈方面使用喷砂的方式进行，喷砂完成后，使用粗糙度仪对2块试板的表面进行粗糙度检测，以确认试板的表面粗糙度符合工艺规程要求(要求为Ra 1.5～3.5 μm)，测试结果为1.6～3.1 μm，如图6、图7所示。

图6 试块打砂

图7 试块粗糙度检测

2.1.4 表面活化

将试块放至表调液中，活化试块表面，以便磷化。

2.1.5 磷化

将试块整个放至磷化液中10～20 min。

2.1.6 烘干

考虑到试板在磷化出来后，试板温度较高，因此使用洁净空气将磷化完成的试板吹干即可。

2.1.7 磷化膜外观检测

试板磷化完成后，对试板的磷化层进行观察，查看试板是否有色差、污渍等不良缺陷。

2.1.8 磷化膜重量检测

按照ASTM B767[3]对2块试板进行称重测试，测试后结果分别为0.66 mg/cm2、1.90 mg/cm2，称重过程如图8～图11所示。

图8 测试前(试板1)

图9 测试后(试板1)

图10 测试前(试板2)

图11 测试后(试板2)

2.1.9 磷化膜耐腐蚀检测

按照ASTM B117[2]对试板进行盐雾测试，将磷化完成的试块放至盐雾测试箱中进行盐雾测试，测试结果如图12和图13所示，采用薄膜磷化层的试板明显的生锈，而厚膜磷化层无锈蚀。

图12 表面生锈

图13 表面无锈蚀

2.1.1 0 橡皮檫测试

图14 有少许脱落

图15 无脱落

使用橡皮擦用约一公斤压力在磷化膜表面进行擦拭10次，测试结果如图14和图15所示。通过进行两种磷化液的实验，按照表1的要求，确认膜厚薄的磷化液不能满足公司要求，测试结果不合格。

2.2 试块面涂试制及测试

磷化完成后，根据技术要求进行Xylan涂层的喷涂，由于涂层整体厚度较厚，为避免流挂，需进行二次喷涂。

2.2.1 一次喷涂

首先，对于磷化完成的试块进行烘干处理，以避免磷化涂层表面有水分残留，同时烘干的温度不能太高，避免破坏磷化层，一般烘干温度控制在100 ℃以下，如图16和图17所示。

图16 试块进炉

图17 炉温控制

试块烘干后，将试块随炉冷却，同时稍微留点余温，以避免试块水分的再次集聚，喷第一遍涂层，喷涂层时须均匀、不流挂，如图18和图19所示。

图18 工件留有余温

图19 涂层喷涂

2.2.2 表干

在试块第一次喷涂完成后，将试块放进烘干炉进行第一次固化(表干)，为了保证第一次涂层与第二次涂层的结合力，故表干温度会低于固化温度，一般温度设置在120 ℃左右即可，如图20所示。

图20 表干

2.2.3 二次喷涂及固化

在表干完成后，进行二次喷涂，同时控制总膜厚，以符合项目及公司要求，喷涂后进行固化，固化温度为204 ℃，如图21和图22所示。在涂层完全固化后，对试块进行了相应检测。

图21 二次喷涂

图22 固化过程

2.2.4 百格测试

按照ISO 2409[4]对固化完成的试块进行附着力测试，测试结果为0级，如图23所示。

图23 百格测试

2.2.5 膜厚测试

按ASTM D1186[5]使用测厚仪对涂层厚度进行测量，测量出厚度为30 μm，如图24所示。

图24 膜厚测试

2.2.6 固化测试

按ASTM D5402[6]对固化完成的试块进行测试，测试结果为涂层无损并没有任何褪色，如图25所示。

图25 固化测试

2.2.7 盐雾测试

将固化完成的试块放进盐雾测试箱，按照ASTM B117[2]进行测试，如图26所示，测试时间为1 500 h，测试结果为：经过1 500 h测试后，涂层未生锈，按照表1的要求，测试合格。

图26 盐雾测试

3 产品试制

3.1 小工件涂层测试

根据Xylan涂层的测试结果，接下来进行产品试生产，首先选择了一个多孔小工件进行试生产。同时，生产过程完全按照试块实验时的过程一样，生产结果如图27所示。

图27 涂层完成

3.1.1 出现的问题

产品涂层完成后，出现如下问题：产品整体涂层均匀，不过表面整体泛黄，同时工件表面不光滑。

3.1.2 原因分析

在经过仔细分析、比对后发现：Xylan原料产地有两种，虽然都是1424黄色，但是产品不同，涂层有所差异，原产地在欧洲的涂料偏水性，原产地在美洲的偏油性，出现的涂层差异很有可能是涂料原产地不同所引起。

3.1.3 应对措施

在得出以上结论后，重新采用此工件，采用原产于美洲的涂料进行涂层，涂层完成后如图28所示。

涂层整体光滑、明亮，在工件与工件同时进行涂层的试块上进行测试，测试结果如下：

附着力测试： 由于在产品上测试无法用百格的方法进行确认，故我们使用了固化测试及胶带测试，胶带测试是根据ISO 2409[4]使用3M胶带在产品上测试，测试结果，无脱落。

图28 更换涂料后涂层

固化测试：在产品上进行固化测试，测试结果为轻微掉色，如图29所示，符合要求。至此，按照表1技术要求，小工件涂层测试取得成功。

图29 产品固化测试

3.2 大工件涂层试制

经过小件多孔工件的试生产，决定使用大工件进行再次验证，验证小工件与大工件是否同样可行，准备了最大的工件，采油树本体，此工件重达5 t，长度近2 m，生产过程与试板及小工件完全相同，包括磷化前表面粗糙度、磷化温度、打砂完成后到磷化的时间间隔、Xylan表干及固化温度等，实验结果如图30所示。

图30 本体试生产

3.2.1 产品在涂层中遇到的问题

经检测，发现在头部上方，发现有大面积的黑疤，黑疤呈水集聚状，而这种缺陷在涂层中是不允许存在的，不满足表1的技术要求。

3.2.2 原因分析

经过大部件涂层失败的过程后，仔细的寻找原因，比对了和小部件生产的过程差异，造成涂层失败的原因如下：

(1)在涂层固话过程中，从黑疤的形状来看，明显有大量的水汽聚集，分析是否采用的煤气炉在加热过程中的急速升温造成了煤气燃烧后的水汽在工件表面堆积。

(2)涂层过程中，涂层厚度的存在不均匀现象，可能会造成此问题。

3.2.3 应对措施

针对出现的问题，采取了以下方案予以逐步认证：

(1)在产品喷涂过程中，喷涂完成后，对工件的涂层厚度进行全面检查，以确保涂层厚度的均匀。

(2)在涂层固化的过程中，首先以通常使用的加热速度进行加热，并设立中间温度控制点，到了温度后，开炉进行确认，是否存在水汽在工件表面停留的现象。

磷化完成后，按照涂层工艺进行涂层喷涂，在喷涂完成后进行膜厚测量，发现膜厚均匀，误差非常小，3次膜厚测量值如图31、图32、图33所示。

图31 膜厚测量值1

图32 膜厚测量值2

图33 膜厚测量值3

在涂层完成后，将工件放进加热炉时，采用阶梯加热模式进行加热，最终，加热完成后，形成的固化涂层如图34所示。

图34 涂层黑疤

经过测试发现，黑疤有所减少，不过还是存在，因此，黑疤的根本性问题不在加热炉，转而将注意力集中在了磷化缺陷上，认为产品体积过大，很容易造成磷化缺陷，致使最终涂层的时候产生黑疤缺陷；

针对此问题，采用工件缓慢出水，同时采用多枪头清洗，避免磷化产生的杂质在工件表面停留的手段进行验证；

在完成了准备后，第三次对工件进行了认证，并在上述可能产生问题的点进行了把控，磷化完成后，外表面成形如图35所示。

图35 本体磷化完成

磷化完成后，本体表面磷化膜均匀且完整，无缺陷；之后，再次进行了涂层喷涂并固化，固化完成后，2个不同角度观察涂层表面成形如图36所示。

图36 涂层表面成形

固化完成后，零件表面黑疤已经完全消失，大件涂层完全满足表1的技术要求，大工件涂层测试取得了圆满成功。

4 结语

经过从试块摸底，到小零件测试，再到大零件测试，遇到了许多问题并针对性的采取了措施，归纳总结如表2所示。

表2 出现的问题及应对措施

工件的大小对于涂层的施工会造成不同的影响，带来不同的难度，但是最终还是磷化底涂的质量对Xylan涂层的质量起了决定性的影响，通过测试，成功的解决了大小工件在涂层过程中遇到的问题，稳定并提高了产品的质量，为整套采油树设备的高质量制造奠定了坚实的基础。