钻井油管的离子防腐耐磨工艺装备
一、离子渗氮与真空防腐耐磨工艺的可行性
在工业化国家，材料的腐蚀损失一般占全年GDP的4%，因此，延缓、防止腐蚀，控制材料的退化和变质，是摆在国民经济和社会发展中的一项越来越迫切的任务。
上世纪末前的30年，由于三束材料改性技术的发展与应用、即电子束、激光、等离子束的三束技术的逐步成熟运用，及与气相沉积技术的结合、包括PVD、CVD、ECR、PCVD、PECVD，尤其是离子PCVD技术，使防腐工程产生了第一个重大突破，形成了表面工程系统，几乎可以将材料改造成所期望的各种表面功能。展望21世纪，以三束特别是等离子束的材料改性和气相沉积为代表的表面工程技术领域，将在技术集成化、工程化以及腐蚀控制方面取得新的发展和更广泛的应用。
针对油田建设，不论是陆上油田、还是海上油田，其建设用材料与设备的防腐耐磨问题十分突出。以中原油田反映的情况为例（碱性腐蚀为主）：
（1）腐蚀一般钻进到1500米后逐渐加重
（2）油管内壁因偏磨产生严重的条状磨损
（3）在条状磨损处出现点状的几乎可连成一线的腐蚀穿孔。
这清楚表明，油管内壁防腐层薄而软，被偏磨后加速了油管基体的点蚀，直至连线穿孔而导致报废，所以，不仅表面需有致密防腐的白亮层，也要注或渗入硬化与减摩化合物。
以前，如胜利油田采用了气体氮化油管工艺，使油管的使用寿命比不热处理提高了数倍，取得了一定的成效。但是，气体氮化防腐耐磨存在以下问题，不能满足更精更快更省的要求。
1、气体氮化炉不是在真空条件下作用，存在着外界气体对气相沉积层的污染，减少了粒子的平均自由程，减弱了反应气体的输运速度，气相沉积质量比真空与离子工艺有明显的降低；
2、气体软氮化形成的致密的白亮层是伽玛’（r’）＋埃普西朗相（ε）、即Fe4N＋Fe2-3(CN)，两相起微电池作用、降低了耐蚀性能，脆性等级≥二级。而离子N化与N-C共渗最终形成的白亮层是单相、可r’’相、也可“ε”，即耐磨、又能降低磨擦系数、脆性等级≤一级、且抗蚀性好。
3、气体工艺不具备离子PCVD的功能，因为工件在气体工艺中是不通电的、不在电磁场中，其功能的扩展十分有限。
4、气体氮化渗剂的局限性大，不能渗入Cr和Ni等耐腐蚀金属渗剂；
5、气体氮化炉加热靠辐射加热和对流加热，气相沉积会因辐射温度的不一致和气体分布的不均匀而产生沉积薄膜层的缺陷，会因缺少电脉冲和磁控手段，产生辐射损失；
6、气体氮化炉的电阻加热热效率低，一般仅30%，而磁加热和离子轰击加热热效率高达90%以上。前者较后者多耗电壹倍以上；
7、气体氮化比离子与真空氮化耗气量多30～100倍，不像离子与真空热处理、气体在升温过程中不断地分解和电离、离子化率极高、用气量很少。
8、气体热处理对环境存在一定的污染。
9、薄壁的、小口径的长管，如?73×9600m的油管，内壁的温度和气流的控制，对气体氮化炉来说是个很难解决好的问题。
如果采用离子轰击炉，它不同于单阴极的“辉光离子氮化炉”、形象地说是由真空炉系统和“辉光离子氮化炉”系统组成，不仅具备了离子PCVD基本条件（1）低压大尺寸等离子体（2）高压大电流脉冲发生器，而且结合了真空热处理工艺、电脉冲与等离子体技术，是二十一世纪我国新一代的程控电脉冲型多功能离子轰击炉，成功服务材料改性工程和防腐蚀工程。
二、程控电脉冲型多功能离子轰击炉
程控电脉冲型多功能离子轰击炉是在浙江大学转让专利技术 在“辉光离子氮化炉”系统中引入辅助热源技术的基础上，经我公司工程技术人员的不懈努力和浙江大学多个学科教授们的技术支持下，在二零零二年开发成功的。它集成了等离子技术、真空技术、电力电子与电脉冲技术、计算机控制技术、可控的叠加的辅助热源技术及材料科学与金属热处理。
考虑技术的可行性、经济的合理性及生产的可靠性等，按照河南油田采油一厂的生产要求：⑴离子氮化或N-C共渗处理油管的内外壁 ⑵油管材质以J-55、N-80钢，油管的规格?73海洋工程与船舶网--好网站！×δ5.5海洋工程与船舶网--好网站！×9600海洋工程与船舶网--好网站！ ⑶日处理240支、93.6kg×240支/日处理重量、每支油管外园表面积2.2×104cm2内园表面积1.869×104cm2，作出初步设计方案并定型为LHMJ650 / ?800×9600 JA2-2型离子轰击炉×4（台套）的热处理生产线。
在工业化国家，材料的腐蚀损失一般占全年GDP的4%，因此，延缓、防止腐蚀，控制材料的退化和变质，是摆在国民经济和社会发展中的一项越来越迫切的任务。
上世纪末前的30年，由于三束材料改性技术的发展与应用、即电子束、激光、等离子束的三束技术的逐步成熟运用，及与气相沉积技术的结合、包括PVD、CVD、ECR、PCVD、PECVD，尤其是离子PCVD技术，使防腐工程产生了第一个重大突破，形成了表面工程系统，几乎可以将材料改造成所期望的各种表面功能。展望21世纪，以三束特别是等离子束的材料改性和气相沉积为代表的表面工程技术领域，将在技术集成化、工程化以及腐蚀控制方面取得新的发展和更广泛的应用。
针对油田建设，不论是陆上油田、还是海上油田，其建设用材料与设备的防腐耐磨问题十分突出。以中原油田反映的情况为例（碱性腐蚀为主）：
（1）腐蚀一般钻进到1500米后逐渐加重
（2）油管内壁因偏磨产生严重的条状磨损
（3）在条状磨损处出现点状的几乎可连成一线的腐蚀穿孔。
这清楚表明，油管内壁防腐层薄而软，被偏磨后加速了油管基体的点蚀，直至连线穿孔而导致报废，所以，不仅表面需有致密防腐的白亮层，也要注或渗入硬化与减摩化合物。
以前，如胜利油田采用了气体氮化油管工艺，使油管的使用寿命比不热处理提高了数倍，取得了一定的成效。但是，气体氮化防腐耐磨存在以下问题，不能满足更精更快更省的要求。
1、气体氮化炉不是在真空条件下作用，存在着外界气体对气相沉积层的污染，减少了粒子的平均自由程，减弱了反应气体的输运速度，气相沉积质量比真空与离子工艺有明显的降低；
2、气体软氮化形成的致密的白亮层是伽玛’（r’）＋埃普西朗相（ε）、即Fe4N＋Fe2-3(CN)，两相起微电池作用、降低了耐蚀性能，脆性等级≥二级。而离子N化与N-C共渗最终形成的白亮层是单相、可r’’相、也可“ε”，即耐磨、又能降低磨擦系数、脆性等级≤一级、且抗蚀性好。
3、气体工艺不具备离子PCVD的功能，因为工件在气体工艺中是不通电的、不在电磁场中，其功能的扩展十分有限。
4、气体氮化渗剂的局限性大，不能渗入Cr和Ni等耐腐蚀金属渗剂；
5、气体氮化炉加热靠辐射加热和对流加热，气相沉积会因辐射温度的不一致和气体分布的不均匀而产生沉积薄膜层的缺陷，会因缺少电脉冲和磁控手段，产生辐射损失；
6、气体氮化炉的电阻加热热效率低，一般仅30%，而磁加热和离子轰击加热热效率高达90%以上。前者较后者多耗电壹倍以上；
7、气体氮化比离子与真空氮化耗气量多30～100倍，不像离子与真空热处理、气体在升温过程中不断地分解和电离、离子化率极高、用气量很少。
8、气体热处理对环境存在一定的污染。
9、薄壁的、小口径的长管，如?73×9600m的油管，内壁的温度和气流的控制，对气体氮化炉来说是个很难解决好的问题。
如果采用离子轰击炉，它不同于单阴极的“辉光离子氮化炉”、形象地说是由真空炉系统和“辉光离子氮化炉”系统组成，不仅具备了离子PCVD基本条件（1）低压大尺寸等离子体（2）高压大电流脉冲发生器，而且结合了真空热处理工艺、电脉冲与等离子体技术，是二十一世纪我国新一代的程控电脉冲型多功能离子轰击炉，成功服务材料改性工程和防腐蚀工程。
二、程控电脉冲型多功能离子轰击炉
程控电脉冲型多功能离子轰击炉是在浙江大学转让专利技术 在“辉光离子氮化炉”系统中引入辅助热源技术的基础上，经我公司工程技术人员的不懈努力和浙江大学多个学科教授们的技术支持下，在二零零二年开发成功的。它集成了等离子技术、真空技术、电力电子与电脉冲技术、计算机控制技术、可控的叠加的辅助热源技术及材料科学与金属热处理。
考虑技术的可行性、经济的合理性及生产的可靠性等，按照河南油田采油一厂的生产要求：⑴离子氮化或N-C共渗处理油管的内外壁 ⑵油管材质以J-55、N-80钢，油管的规格?73海洋工程与船舶网--好网站！×δ5.5海洋工程与船舶网--好网站！×9600海洋工程与船舶网--好网站！ ⑶日处理240支、93.6kg×240支/日处理重量、每支油管外园表面积2.2×104cm2内园表面积1.869×104cm2，作出初步设计方案并定型为LHMJ650 / ?800×9600 JA2-2型离子轰击炉×4（台套）的热处理生产线。
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