油田油管合金化镀层厚度影响因素分析及实验研究

2022-12-18

热镀锌能显著提高钢铁抗腐蚀性能, 这是由于镀锌层不仅能够给钢铁提供物理屏障保护, 将钢铁与腐蚀介质隔离开, 而且锌的电位比铁负, 在发生电化学腐蚀时, 锌可作为牺牲阳极对铁实施阴极保护。

由于热浸镀锌具有性能优良、可靠、使用寿命长、作为保护层基本不维护等特点, 所以被广泛应用于输电铁塔、微波塔、高速公路护栏、路灯杆、电力金具等长期室外暴露的钢铁制件的防腐[1]。

钢铁行业连铸技术普及要求炼钢时对钢铁进行充分脱氧, 而成本较低的Si则为常用的脱氧剂, 因此钢中会不可避免地残留少量的Si。此外, 有时为了增加钢的强度而特别加入Si。圣德林效应表明, 钢中含有一定量的Si会显著增加Fe与Zn的反应。油田油管属高硅中碳钢, 其在热浸镀过程中由于Si的影响通常使镀层过厚、灰暗、易脱落。为了有效控制热镀锌过程中硅的不利影响, 本文分别从浸镀温度、浸镀时间及有效合金的添加等方面进行实验分析研究。

1 实验

1.1 试验材料

试片50×50×2.5, 100片。

1.2 工艺路线

试样→碱煮除油→水洗→酸洗除锈→水洗→浸沾助镀剂→烘干→热浸镀→水冷→测量检验

1.3 实验方法

在不同的浸镀温度和浸镀时间下对试片浸镀, 对厚度进行测量分析;通过锌铝中间合金和锌镍中间合金的不同比例添加, 分析不同比例的合金元素对镀层厚度的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 浸镀温度对镀层厚度的影响[2]

通过本实验得出, 在实验室对钢基热浸镀锌时, 锌液温度保持在450℃~460℃较为适宜。若锌液温度较低, 所得到的镀层表面光洁度差, 纯锌层厚, 锌的耗用量也大;若温度达到480℃, 将引起合金层的快速生长, 使镀层的厚度和脆性增加, 更严重的是由于铁的溶解速率增大等原因, 降低了锌液的质量。

2.2 浸镀时间对镀层厚度的影响

随着时间的延长, 镀层的厚度逐渐增加, 基体铁损速率迅速增大, 锌浴中铁离子浓度越来越高, 镀层质量也越来越差, 直接影响镀液的寿命。实验发现, 浸镀时间控制在2~3分钟范围内, 镀层的质量和厚度皆可达到或超过镀锌行业标准。

2.3 合金元素对镀层厚度的影响

2.3.1 Zn-Al-RE合金技术

铝是热镀锌液中最常用的添加元素, 在锌液中加入少量<1% (ωt) 铝可以起到提高镀层光亮性;减少锌液面的氧化;抑制脆性Fe-Zn相的形成等作用[3]。通过实验发现, 锌浴中的ωAl为0.005%~0.02%时, 就可以达到油管镀层光亮之目的, 并起到减少锌液表面的氧化和锌灰的形成, 降低生产成本。同时, 稀土元素可增加锌浴对钢佚表面的浸润性, 延长油管镀层的耐腐蚀寿命。但必须指出的是:在非连续热浸镀锌工艺中, 由于加入铝元素的浓度非常低, 对2n-Fe铁反应强度的影响是很微弱的;锌液中铝含量如果过高, 铝则会与助镀剂发生反应, 导致出现漏镀缺陷;铝的添加方式应采用Zn-Al中间合金的方式。

2.3.2 Zn-Ni合金

锌液中加镍是为了解决热浸镀锌中因钢材中含硅量出现的圣德林现象作为合金元素而加入的[4], 其研究始原于20世纪60年代, 但真正实现工业上的应用则在20多年之后。由于镍的熔点为1455℃, 远远高于锌的熔点4 1 9.2 5℃。国际上通常采用Z n-2%Ni中间合金的添加方式。

在锌浴中使用镍初期, 通常采用ωNi为0.08%~0.12%, 这一含量范围能最有效的抑制活性钢的圣德林效应, 但在实际生产中, 各个镀锌厂也不可避免地要接受一些非活性钢的镀锌, 锌浴中Ni对这类钢也具有减薄作用, 这就会造成其镀层厚度达不到标准要求厚度的几率增大, 同时, 在450℃左右镀锌情况下, 如果ωNi>0.06%, 通常会造成锌液中出现浮渣、小颗粒现象。所以前国际上普遍采用ωNi为0.04%~0.06%的锌浴含镍量。

通过本次实验发现, 这个含量既能控制油田油管ζ相的异常生成, 减少或消除油管镀层超厚现象, 又能使非活性钢浸镀时获得标准要求的镀层厚度, 且镀层光亮、均匀、平滑, 同时也具有较好的耐腐蚀性能和粘性, 降低了锌耗, 节约了成本。近几年来, 其它一些镀锌合金, 如:Z n-S n合金, Zn-Ni-Bi合金, Zn-Sn-Ni-Bi合金及Zn~Al-Sn-Bi等合金技术也受到了广大镀锌行业人士的青睐。

2.4 其它因素对镀层厚度的影响

油管在热浸镀锌过程中本身就是一个比较复杂的物理、化学反应过程。同时还可能掺进一些人为、设备因素。所以要控制镀锌件镀层不出现色差和超厚问题, 获得外观质量好的镀层, 除上述因素外, 还应考虑以下几个方面。

2.4.1 引出速度

引出速度越大镀层越厚, 要薄镀层必须慢速出锌面, 所以电动葫芦应无级调速。可根据镀层厚度要求调整引出速度。

2.4.2 打锌灰的方法

这也是很重要的一点, 但多数厂家不十分重视, 打锌灰的关键有三点:一是刮灰板必须与锌面垂直。二是刮灰板的刮灰速度必须与工件的起升速度一致, 而且要跟着工件走。因为刚刮出的锌面光亮平滑如镜, 没有氧化物与波纹, 这样可保证镀件表面与刚刮出的镜面一样平滑光亮。三是要尽量避免锌液面的波动而增加锌液氧化及锌灰增多。同时锌液面大幅度波动也会加速锌锅的腐蚀。

3 结语

将浸镀温度控制在450~460℃, 浸镀时间控制在2~3分钟, 可使油管获得合理的镀层厚度和外观质量。锌浴中铝含量在0.005%~0.02%时, 可起到镀层光亮之目的并可减少锌液表面的氧化和锌灰的形成, 降低生产成本。ωNi为0.04%~0.06%的锌浴可减少或消除油田油管镀层超厚现象, 又能使非活性钢浸镀时获得标准要求的镀层厚度, 且镀层光亮、均匀、平滑。控制镀层过厚是一个综合的工艺过程, 不应从单一的某一方面考虑, 应建立在工艺优化基础之上。

摘要：油田专用油管为高硅中碳钢, 其热浸镀技术在国内尚属空白。由于高硅钢热浸镀过程中存在“圣德林效应”, 在其合金化过程中往往会出现镀层过厚、灰暗、起皮甚至脱落等现象。为了有效控制镀层过厚而带来的不利影响, 本文对油管合金化厚度的影响因素进行了分析与实验研究, 提出了几种有效控制镀层过厚的合理方法及参数优选。

关键词：油管,热浸镀,圣德林效应