随着我国大部分油田进入开采中后期，油井中的油套管长期承受拉伸、压缩、管柱内液体的压力， 并且长期处于腐蚀性液体中，工作条件非常恶劣，由于磨损腐蚀造成的失效越来越严重，我国各油田 每年因油套管磨损腐蚀所造成的直接经济损失超过 700 亿人民币。此外，油套管因磨损腐蚀失效后还 会造成油井频繁作业，正常工作时间缩短，维修费用上升，综合效益低。

       中国石油大学（华东）组织技术团队，研发出具有自主知识产权的复合阳极喷射电沉积制备油套 管表面防腐耐磨层的新技术与装备，开发出绿色环保复合溶液，具有制备效率高、成本低、无污染等 优势，可以替代油田现有的油套管表面处理技术。该成果成功转化后还可广泛应用于石油化工、船舶、 建筑、汽车等行业中的防腐耐磨处理领域，能极大减少腐蚀和磨损带来的经济损失，市场前景及其广 阔。

       该技术已在胜利油田进行了现场试验。结果表明， 和油田现场应用的油套管相比，该技术处理的 油套管，其耐磨性提升约 33%，耐腐蚀性提升约 65%，处理成本降低约 40%，且处理过程中能耗可降低 约 45%，对环境无污染。

       依托项目组自主开发的油井套管表面高性能防腐耐磨层高效绿色制备技术与装备，批量生产、销 售、推广装备具有极大的市场潜力。我们的主要优势在于：一是自主研发的技术；二是产品性能更好， 价格更低；三是自主开发技术，无卡脖子风险，同时技术产品可持续迭代升级。总体来说，如推广得当，我们的市场规模利润可观。

       二、技术特点及技术指标：

       1.油管内壁高性能耐磨耐蚀层的高效纳米增材制造技术研究

针对油田中存在的管杆磨蚀问题，提出了一种复合阳极喷射电沉积制备油套管表面防腐耐磨层的 新技术。其原理如图 1 所示，钛棒与镍珠/铁珠作为复合阳极，与油管内壁分别与直流电源的正、负极 相连。复合镀液高速从喷头喷出，金属离子在油管内壁得到电子迅速还原沉积，同时镀液中的硬质颗 粒被快速还原的金属原子捕捉吸附。喷头沿油管内壁往复移动， 从而形成所需厚度的耐磨耐蚀层。采 用高电流密度高速冲液能够加快金属离子和硬质颗粒的传递速度且可以有效地打破硬质颗粒的团聚 态，从而高效制备硬质颗粒均匀分布的沉积层。采用钛棒作为传输电极将电流转移到与其紧密接触的 镍、铁珠上，镍、铁原子被氧化成大量的 Ni2+和 Fe2+，用于补充镀液中不断消耗的金属离子。由于钛 棒全程无消耗，因此能提供稳定的电场环境，有利于制备组织均匀稳定的耐磨耐蚀层层。所研制的镀 液无毒且可以循环使用。因此该方法具有高效率、低成本、低损耗以及无污染的优点。

图 1 新技术原理图

        2. 油管内壁高性能耐磨耐蚀层制备装置研制

       开发出了油管内壁高性能耐磨耐蚀层制备装置，如图 2 所示。该装置主要包括伺服运动系统、直 流电源、喷射电沉积系统和循环冲液加热系统。伺服运动系统包括控制模块、在线监控模块和参数控 制算法模块，实时监测喷射电沉积过程中的电流和电压信号并对喷头、移动平台等的运动进行实时控 制。直流电源可满足实验过程中所需的不同沉积电流条件。喷射电沉积系统包括阳极缸、滤网、镍珠、 喷头等结构。喷头工具实行模块化设计，能够满足不同尺寸油管内壁高性能耐磨耐蚀层的快速沉积。 循环冲液加热系统主要用于改变复合镀液的冲液速度以及保持恒定的镀液温度。

图 2 油管内壁高性能耐磨耐蚀层制备装置

       3.油管内壁高性能耐磨耐蚀层表面微观结构特性及材料增长机理探究

       不同沉积阶段油管内壁高性能耐磨耐蚀层的微观形貌如图 3 所示，预吸附在基体上的 WC 硬质颗提高了更多的成核位点（图 3a），然后还原的 Ni、Fe 原子在颗粒附近迅速堆积形成晶核（图3b）， 晶核沿一定取向继续生长形成晶粒（图 3c）。随着沉积时间增长，大量晶粒聚并形成长条状沉积层（图 3d-e），长条状沉积层完全覆盖基体表面最终形成耐磨耐蚀层（图 3f-h）。油管内壁高性能耐磨耐蚀层 结晶形核生长示意图如图 4 所示，面心立方结构的 Ni-Fe 晶胞以（111）、（200）、（220）等晶向吸附在 基体上并最终生长成为具有不同取向的晶粒。沉积电流密度是影响耐磨耐蚀层组织的重要因素，探究 发现随着沉积电流密度的增加，耐磨耐蚀层的晶粒取向由无序取向逐渐向（220）取向演变，当沉积电 流密度较高时，耐磨耐蚀层结构为高度（220）择优取向结构。

 

图 3 油管内壁耐磨蚀层微观结构         图 4 耐磨蚀层结晶形核生长过程

 

         4. 油管内壁高性能耐磨耐蚀层纳米增材制造工艺规律探索

图 5 工艺参数对油管内壁高性能耐磨耐蚀层性能影响规律：（a）成分，（b）结构，（c）显微硬 度，（d）结合强度，（e）耐腐蚀性，（f）耐磨性，（g）强度及塑性

通过分析镀液温度、电流密度等工艺参数对油管内壁高性能耐磨耐蚀层的成分、结构、显微硬度、 耐磨性和耐腐蚀性等性能的影响规律（图 5），建立油管内壁耐磨耐蚀层各工艺性能指标与工艺参数间 的数学模型，进而获取最优工艺参数组合。研究发现当沉积温度为 50°C，沉积电流密度为 220A/dm2 时，耐磨耐蚀层中硬质颗粒含量达到最高且(220)取向晶粒占比高达 97.7%，该种结构耐磨耐蚀层的结 合强度、耐磨性以及耐腐蚀性均为最佳。

         5. 油管内壁耐磨耐蚀层制备与应用

图 6 （a）不同工艺制备的油管内壁强化层厚度，（b）不同工艺制备的油管内壁强化层磨损量，

（c）不同工艺制备的油管内壁强化层腐蚀失重

       采用本创新技术进行了 N80 油管短接内壁的表面强化实验。为了验证本课题所采用方案的可行性 以及优势，与现在市场上目前常用的离子渗透、电镀钨合金两种方法做了相关对比。如图 6（a）所示， 利用该装置制备的油管内壁耐磨耐蚀层厚度能够达到 60μm 以上，远高于其他两种方法制备的耐磨耐 蚀层厚度。如图 6（b）所示，同等摩擦条件下利用该装置制备的油管内壁耐磨耐蚀层磨损量最少，说 明其耐磨性最强。如图 6（c）所示，同等酸性盐雾腐蚀条件下利用该装置制备的油管内壁耐磨耐蚀层 腐蚀失重最轻，说明其耐腐蚀性最强。

       三、应用领域：

       该成果成功转化后还可广泛应用于石油化工、船舶、建筑、汽车等行业中的防腐耐磨处理领域。

       专利授权及申请情况：

       1、中国发明专利：一种具有（220）高择优取向的 Ni-SiC 复合镀层的制备装置及 方法，ZL202010024213.3

       2、中国发明专利：一种镍钛形状记忆合金单晶的循环脉冲电处理装置及方法，ZL201811331455.6

       3、中国发明专利： 一种固态下 NiTi 单晶循环热处理制备方法，发明专利号： ZL201811331192.9

       4、中国发明专利：一种上游泵送机械密封环的增材制造方法，发明专利号： ZL201710444995.4

       5、中国发明专利：上游泵送机械密封的纳米增材制造方法，ZL201510325287.X

       成果受资助及获奖情况：

       弱导电硬脆材料端面电火花铣磨复合加工技术及机理研究，山东省自然科学基金 项目（ZR2012EEL15）

       技术成熟程度： 已在产业中应用

       拟合作方式： ☑其他