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深水钻井隔水管电弧喷涂防腐涂层结构设计和评价

作　者: 刘存
导　师: 赵卫民
学　校: 中国石油大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 钻井隔水管电弧喷涂金属涂层电化学研究腐蚀疲劳
分类号: TG174
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钻井隔水管的主要功能是隔离海水为浮式钻井船或半潜式钻井平台与海底井口之间钻井液循环提供回路,并为钻具送入海底井口进行导向。深水钻井隔水管是一种细长的柔性结构,它外与海水接触,同时承受波浪和海流的作用,主要失效形式为腐蚀和腐蚀疲劳,被喻为深水钻井开发的咽喉。目前,普遍采用的有机防护涂层远不能满足隔水管设计寿命的要求,鉴于海洋工程结构维修不便以及昂贵的保养费用,迫切需要研究一种更为长效的腐蚀防护涂层。本文设计制备了铝、铝锌伪合金、Zn-15wt%Al合金和锌底面铝复合涂层等四种电弧喷涂层,并对部分试样进行封闭处理。通过室内腐蚀试验、实海现场挂片试验结合电化学腐蚀测试评价不同涂层的耐蚀性,利用光学电镜、立体显微镜、扫描电镜(SEM)等进行腐蚀形貌观察、组织分析,结果表明:铝锌伪合金涂层耐蚀性能最好;铝涂层组织缺陷较多,腐蚀以点蚀为主;Zn-15wt%Al合金涂层耐蚀性较差,易发生剥落;锌底面铝涂层鼓包严重。封孔处理涂层均表现出良好的耐蚀性能,铝锌伪合金涂层与封孔涂料的相容性最佳。锌铝合金/伪合金涂层随着锌含量的增加,海生物附着呈减少趋势,含锌涂层起到了一定程度的防生物污损效果。铝涂层在测试期内电化学阻抗谱(EIS)变化可分成4个阶段:孔蚀萌生阶段、孔内酸化析氢阶段、介质渗达钢基体后涂层作为牺牲阳极阶段和孔蚀群急剧发展阶段。锌铝合金/伪合金涂层在EIS测试过程中始终伴随着低频实部收缩现象,主要是涂层发生富锌相选择性腐蚀和腐蚀产物活性溶解引起的。设计制作了一台悬臂梁式平板往复弯曲腐蚀疲劳试验机,用于模拟研究深水钻井隔水管等柔性海洋结构件在服役过程中的腐蚀疲劳行为。试验测试表明,试验机运行稳定、自动监控系统反应灵敏、腐蚀疲劳试样形状和尺寸设计合理。HSLA-80裸钢及其铝锌合金涂层包覆钢腐蚀疲劳试样断口具有典型的腐蚀疲劳特征,铝锌伪合金涂层显著提高了钢铁基体的腐蚀疲劳寿命。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 课题背景  10-13
    1.1.1 我国海洋油气资源开采潜力巨大  10
    1.1.2 高油价催动深海油气勘探开发  10-11
    1.1.3 海洋油气资源争夺形势严峻  11
    1.1.4 深水钻采设备落后严重制约我国海洋油气勘探开发  11-12
    1.1.5 国家大力支持发展海洋工程装备  12-13
  1.2 隔水管相关情况  13-18
    1.2.1 隔水管概述  13-15
    1.2.2 隔水管服役自然环境  15-16
    1.2.3 隔水管服役力学环境  16-17
    1.2.4 隔水管主要失效形式及防护方法  17-18
  1.3 腐蚀疲劳  18-21
    1.3.1 腐蚀疲劳定义及特征  18-19
    1.3.2 腐蚀疲劳机理及其影响因素  19
    1.3.3 腐蚀疲劳试验技术和方法  19-20
    1.3.4 腐蚀疲劳的工程应用  20-21
  1.4 电弧喷涂技术研究现状  21-24
    1.4.1 电弧喷涂原理及特点  21-22
    1.4.2 电弧喷涂层在结构物腐蚀防护方面的应用  22-24
  1.5 课题的来源及研究意义  24-26
第二章试验材料和方法  26-33
  2.1 涂层结构设计  26
  2.2 试验材料和涂层制备  26-28
    2.2.1 试验材料  26-27
    2.2.2 表面预处理  27
    2.2.3 涂层制备  27-28
  2.3 涂层组织结构分析  28
  2.4 涂层力学性能测试  28-29
  2.5 腐蚀试验  29-31
    2.5.1 室内腐蚀挂片试验  29-30
    2.5.2 电化学测试  30
    2.5.3 实海试验  30-31
  2.6 腐蚀疲劳试验  31-33
第三章涂层的腐蚀防护行为研究  33-60
  3.1 涂层组织和腐蚀形貌观察分析  33-41
    3.1.1 铝涂层  33-35
    3.1.2 铝锌伪合金涂层  35-37
    3.1.3 锌铝合金涂层  37-39
    3.1.4 锌底面铝复合涂层  39-41
  3.2 涂层介质渗透情况分析  41-45
    3.2.1 铝涂层EPMA 分析  41-43
    3.2.2 铝锌伪合金涂层EPMA 分析  43-45
  3.3 涂层电化学腐蚀行为的定量评价  45-48
    3.3.1 铝涂层直流极化测试  45-46
    3.3.2 锌底面铝涂层直流极化测试  46
    3.3.3 铝锌伪合金涂层直流极化测试  46-47
    3.3.4 锌铝合金涂层直流极化测试  47-48
  3.4 涂层腐蚀失效过程的电化学阻抗谱（EIS）研究  48-56
    3.4.1 电弧喷涂铝涂层EIS 分析  48-52
    3.4.2 电弧喷涂铝锌伪合金涂层EIS 分析  52-54
    3.4.3 电弧喷涂锌铝合金涂层EIS 分析  54-56
  3.5 涂层力学性能评价  56-58
  3.6 本章小结  58-60
第四章实海试验研究  60-68
  4.1 实海试样制备及投放  60
  4.2 实海数据分析  60-67
    4.2.1 表面形貌观察  60-62
    4.2.2 涂层金相观察  62-65
    4.2.3 电化学分析  65-67
  4.3 本章小结  67-68
第五章腐蚀疲劳试验研究  68-95
  5.1 腐蚀疲劳试验机的研制  68-73
    5.1.1 腐蚀疲劳试验机总体设计构思  68-69
    5.1.2 试验机参数范围确定  69
    5.1.3 腐蚀疲劳试验机设计  69-71
    5.1.4 腐蚀疲劳试验机制作  71-72
    5.1.5 试验机自动控制系统设计  72-73
  5.2 腐蚀疲劳试样设计  73-79
    5.2.1 等强度梁理论  73-74
    5.2.2 矩形变截面悬臂梁最大应力公式  74-75
    5.2.3 矩形变截面悬臂梁尖部挠度与最大应力的关系  75-76
    5.2.4 腐蚀疲劳试样设计  76-77
    5.2.5 试样校准  77-79
  5.3 HSLA-80 裸钢腐蚀疲劳试验研究  79-87
    5.3.1 腐蚀疲劳试验  79
    5.3.2 腐蚀疲劳断口分析  79-87
  5.4 铝锌伪合金涂层包覆HSLA-80 钢腐蚀疲劳试验研究  87-93
    5.4.1 腐蚀疲劳试验  87-89
    5.4.2 腐蚀疲劳断口分析  89-93
  5.5 本章小结  93-95
结论  95-97
参考文献  97-102
攻读硕士学位期间取得的学术成果  102-103
致谢  103

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