摘要：抽油杆是石油钻采设备抽油机的关键性部件，提高抽油杆的防腐耐磨性能，延长其使用寿命对降低钻井成本具有 重要意义。文章在抽油杆表面电沉积制备镍钨镀层，分析了钨合金镀层的成分、组织结构、表面形貌、硬度、附着力、在中 性盐雾中的耐蚀性及其在模拟高含 H2 S 和 CO2 环境的耐腐蚀性能。结果表明，镍钨镀层抽油杆表面光亮、致密，具有良 好的结合力和高硬度，在中性盐雾和高温高含硫介质中耐蚀性优良，可显著延长使用寿命，降低综合成本。

　　关键词：镍钨合金;电沉积;防腐抽油杆;耐腐蚀

　　Study on High Anticorrosion and Wear-resistant Ni-W Coating Sucker Rod

　　LEI Tongxin1. LIU Xiaobao2. HAN Xiaoyu2 , XIE Min1

　　(1. Hunan Nanofilm New Material Science and Technology Co., Ltd., Changsha 410000. China;

　　2. Changqing Oil Field Company Second Gas Production Plant, Yulin 719000. China)

　　Abstract:Sucker rod is a key component of the pumping unit of oil drilling equipment. Improving its anti-corrosion and wear resistance and prolonging its service life are of great significance to reducing the drilling cost. In this paper, nickel-tungsten coating was prepared by electrode position on the surface of rod. The composition, microstructure, surface morphology, hardness, adhesion, corrosion resistance in neutral salt spray and corrosion resistance in simulated environment with high H2S and CO2 content were analyzed. The results show that nickel-tungsten coating has bright, dense surface, good bonding force and high hardness, and excellent corrosion resistance in neutral salt spray and high temperature and high sulfur medium, which can significantly extend the service life and reduce the comprehensive cost.

　　Keywords:Ni-W alloy; electrodeposition; anticorrosive rod; corrosion resistance

　　引言

　　石油被人们称为工业的血液和黑色的金子，是 国家生存与工业发展必不可少的战略资源，随着经济 的快速发展，各行业对石油的需求也越来越大，中国 已成为全球第二大石油消费国。2022 年，原油对外依 存度为 71.2%，对原油的开采提出了更高要求。石油 钻采装备是关键，装备技术水平的高低，直接影响着 石油钻采的效果。为了加快钻采装备技术进步，提升 钻采装备市场竞争力，助推中国油气资源高效勘探开 发，确保国家能源安全，采用性价比高的采油设备可 以使我们获得更多的石油[1]。抽油杆机械开采石油技 术在世界范围内应用最为广泛。我国各油田的生产 井中，机械采油井占油井总数的 90% 以上，有杆泵采 油井占机采井的 90% 以上。抽油杆作为地面抽油机 和井下抽油泵的连接设备，是有杆泵采油的重要组成 部分，将地面上的抽油机的能量传到地下，带动井下 抽 油泵工作[2]。中国作为抽油杆的生产和使用大国，生 产企业遍布全国19个省份，中大型企业50 余家，年产 能 1.5 亿 m 。且随着抽油杆制造技术的不断发展及新型产品的出现，尤其在我国“一带一路”建设下，抽油 杆市场呈逐步国际化趋势，中国已成为抽油杆出口大 国，已累计销往美国、加拿大、俄罗斯、印度、哈萨克斯 坦等 25 个国家地区，年出口量 3 000 万 m 。随着我国 经济的快速发展，目前大多数油田进入了采油中后期 开发，开发深度和难度与日俱增，油井含水量上升，井 况也日益严苛，在抽油杆上普遍存在盐水或矿化物腐 蚀问题。为了增大采油量，大量高温、高压、超深、高含 H2 S/CO2 的油气井成为新的开采对象，井液中含有的 CO2、H2 S 和 Cl-等腐蚀介质，抽油杆在石油开采过程 中承受不对称循环载荷的作用。且在 Cl-、H2 S 、CO2 等 腐蚀介质的侵蚀下，抽油杆主要失效形式为腐蚀疲劳 断裂或疲劳断裂。抽油杆与油管出现的偏磨更是加剧 了断裂的发生，抽油杆的失效严重影响了油井连续作 业，造成原有产量下降，带来了严重的安全隐患，并造 成巨大的经济损失[1.3]。解决油田腐蚀和磨损问题是石 油装备重要课题，通常采用的防腐方法有采用耐腐蚀 合金、防腐涂层、非金属和缓蚀剂等，但耐腐蚀合金存在 价格昂贵的缺点，防腐涂层有在使用温度超过 80 ℃会出现附着力不佳从而脱落失去保护抽油杆的作用、 使用环境受限等缺点。非金属碳纤维抽油杆存在价格 高、最高工作温度为 60 ℃、耐磨性差等缺点，缓蚀剂 存在受井液和环境的不同而具有选择性且有环保隐 患等缺点，所以寻求一种防腐耐磨性能优良、价格低 廉、适用环境广的抽油杆对油田生产具有非凡的意 义。在众多的新技术中，电沉积镍钨合金以独特的防 腐耐磨特性脱颖而出，在普通碳钢、低合金钢及其他 普通材料表面电镀镍钨合金镀层后，可大幅度提高产 品的防腐性能。尤其适用于在高温、高压的 H2 S 、Cl-和 CO2 及其混合介质的强腐蚀性环境中，在油田钻探、 开采等领域有巨大的应用前景下，可有效解决石油钻 井设备和采油设备存在着腐蚀和磨损问题[4] 。因此， 将镍钨合金电沉积技术应用于抽油杆的防护，应该会 具有非常好的效果。笔者对镍钨合金镀层抽油杆进行 了外观、结合力、硬度、机械性能、耐磨性、耐腐蚀等性 能进行了研究。

　　1 试验研究

　　镍钨镀层抽油杆的制备。

　　以钢制抽油杆为基材，采用湖南纳菲尔股份公 司的镀液和电镀钨合金工艺，具体工艺流程为：喷 砂 → 酸洗除锈 → 水洗 → 中和 → 水洗 → 电解除油 → 水 洗 → 活化 → 水洗 → 电镀 → 水洗 → 除氢处理 (温度为 200 ℃,2 h) 。

　　镀液组成和工艺条件为：NiSO4 ·6H2O 浓度为 10 ~ 60 g/L，Na2WO4 ·2H2O 浓度为 10～60 g/L，H3PO3 浓度 为 10～50 g/L，YC-5202 添加剂 (自制) 浓度为 10 mL/L， 电流密度为 5～15 A/dm2.pH 值 4～8.温度为 40～80 ℃。 镀层厚度为 40 μm 。

　　2 镍钨镀层抽油杆的性能研究

　　2.1 外观及成分

　　镍钨镀层抽油杆外观光亮且镀层致密、无裂纹 (图1)，使用扫描式电子显微镜研究镀层成分，结果如 图 2 和表 1 所示，此 Ni-W-P 合金中钨的质量百分含 量为 27.51%，镍的质量百分含量为 65.27%，其他为非 金属元素含量。镍钨合金中钨的质量百分含量在 12% 以上时，钨镍合金通常为非晶态或纳米晶结构。

　　镍钨镀层组分为 W-Ni-X-Y-Z(其中 X 为 Co、Fe; Y 为 C、Si、B、P;Z 为 Mn、Cr、Mo、V 等过渡元素)，由于 掺入了其他一些元素，特别是钨元素的含量大于 12% 以 后，受晶格畸变影响，容易形成纳米晶或非晶态结构。

　　2.2 附着强度

　　参照 GB/T 5270—2005 《金属基体上的金属覆 盖层 电沉积和化学沉积层 附着强度试验方法评述》 中的方法。使用 RE-7060 万能试验机对镍钨镀层抽油 杆进行拉伸实验，直到镀层抽油杆拉断，断口处镍钨 镀层无脱落，镍钨合金镀层与基体间为原子键结合， 因此镀层与基体结合力好，经过拉力试验检测镀层不 会脱落。

　　2.3 硬度

　　采用 HVT-1000 数字显微硬度计测定镍钨镀层 抽油杆的显微硬度，载荷为 200 g，加载时间为 20 s 。

　　用显微维氏硬度计检测镀层的维氏硬度为 814 HV， 基体维氏硬度为 230 HV，镍钨镀层硬度是基体的 3.5 倍， 这是镍钨镀层抽油杆具有良好耐磨性的主要因素。

　　2.4 镍钨镀层抽油杆的机械性能

　　D 级和 HL 级抽油杆分别电镀镍钨合金后，按 SY/T 5029—2013《抽油杆》规定进行了抗拉强度、屈 服强度等力学性能测试和螺纹精度、尺寸测量 (包括 抽油杆及其接箍)。结果表明，镍钨镀层抽油杆的抗拉 强度、屈服强度等力学性能达到标准要求，电镀过程对抽油杆自身力学性能无影响。试验结果如表 2 所示。

　　在抽油杆上电镀镍钨合金后，用 PLG-300KN 高 频疲劳测试机进行镍钨镀层抽油杆疲劳寿命测试;按 SY/T 5029—2013《抽油杆》石油行业标准规定的抽 油杆疲劳寿命试验方法，加载应力 406 MPa，结果表 明，拉伸 100 万次后抽油杆均不断裂，镍钨镀层抽油 杆疲劳寿命达到标准规定值;

　　2.5 镍钨镀层抽油杆的耐磨性能

　　为比较镍钨合金镀层与镀 Cr、化学镀 NiP 的摩擦 磨损性能，采用 SST-ST 销盘式摩擦磨损试验机 (德国) 进行试验，试验参数如表 3 所示。

　　表 3 磨损性能试验参数

　　本试验采用德国 HBM 扭矩传感器在线连续测 量摩擦系数随时间变化曲线;采用 SST-ST 计算机数 据分析系统进行数据采集及处理;采用法国 STIL 白 光共焦三维轮廓仪测量试样的磨损。摩擦系数和磨损 深度比较结果如表 4 所示。

       从表 4 可以看出，镍钨合金镀层的平均膜层系数 和磨损深度均小于电镀 Cr 层和化学镀 NiP 层;镍钨 合金镀层经磨损后，表面仍比较光滑，划痕远少于电 镀 Cr 层和化学镀 NiP 层。以上实验结果说明，镍钨镀 层的耐磨性能优于对比涂层。

　　2.6 耐腐蚀性

　　镍钨镀层抽油杆在弱酸性、碱性和盐溶液中表 现出优异的耐腐蚀性能，尤其在氯化物、硫化物和二 氧化碳介质中，相比其他防腐材料具有明显的耐蚀性 优势。

　　2.6.1 中性盐雾试验

　　依据 GB/T 10125—2021 《人造气氛腐蚀试验 盐 雾试验》的规定进行，使用盐雾试验机进行试验，溶液：50 g/L ±5 g/L 的氯化钠溶液，pH 值范围：6.5～7.2.喷 雾压力：70～170 kPa，温度：35 ℃ ±2 ℃,80 cm2 的水平 面积的平均沉降率：1.5 mL/h ±0.5 mL/h，检测时间为300 h;试验结果表明，镍钨镀层抽油杆经过中性盐雾300 h 试验，抽油杆表面没有红锈，评定为保护 10 级。

　　2.6.2 硫化物应力开裂试验

　　根据美国腐蚀工程师协会 NACE TM 0177 标准 进行抗 SSC 试验，实验条件如表 5 所示。

　　实验结果表明，在 NACE TM 0177 标准 A 溶液 中，加载应力为 527 MPa(620 MPa × 85%) 时，720 h 后宏观检查，试样均未发生断裂，用 10 倍放大镜检查 未发现表现垂直于表面张应力方向的裂纹，镍钨镀层 抽油杆通过美国腐蚀工程师协会 NACE TM 0177 标 准规定抗 SSC 检测。

　　2.6.3 模拟油田介质的腐蚀试验

　　模拟油田腐蚀环境条件下 (CO2 分压为 11 MPa; H2 S 分压为 5 MPa;单质硫含量为 10 g/L;氯离子含 量为 80 000 mg/L;温度为 160 ℃)，镍钨合金镀层的 均匀腐蚀速率为 0.0 076 mm/a，均匀腐蚀为轻度腐 蚀，试样表面均未出现明显局部腐蚀 (图4) 。

　　通过上述耐腐蚀和耐磨试验数据可以看出，镍钨合金镀层抽油杆特别适合于多介质混合、腐蚀情况复 杂的油井工况，应用于高含氯化物、二氧化碳和硫化 氢的油气田，可以起到提升抽油杆的防腐、抗磨损的 效果，延长使用寿命，进而降低开采成本。

　　3 镍钨镀层抽油杆的应用

　　镍钨镀层抽油杆防腐蚀性优异，且具有良好的自 润滑性，抗管杆偏磨性能好，同时可以降低抽油杆的 磨损，在塔里木油田、大港油田、新疆油田、吐哈油田、 班克斯油田、阿曼油田、乌兹别克斯坦油田等使用效 果良好。

　　3.1 镍钨镀层抽油杆在班克斯油田的应用

　　班克斯油田位于阿尔巴尼亚中南部，是阿尔巴尼 亚发现的最大油田，也是欧洲大陆最大的陆上油田。 它于 1928 年被发现并于 1939 年开始生产，近年来， 含水率不断攀升，油田平均含水率超过 88%，产量自然 递减，油井的偏磨腐蚀日益加重。油井主要含 CO2 和 H2 S 等腐蚀介质，特别是 CO2 含量很高 (高达 26%)， 杆管偏磨腐蚀严重。为了降低油管和抽油杆废弃率， 从 2020 年引入镍钨合金抽油杆，抽油杆在油井的使 用寿命大大提升，达到原抽油杆使用寿命的 3 倍以上， 有效解决了采油设备的腐蚀问题，提高了采油效率。

　　3.2 镍钨镀层抽油杆在塔里木油田的应用

       塔里木油田地处新疆塔克拉玛于沙漠，油气井 多是 4 000 m 以上的深井和超深井，井下温度、压力 和腐蚀介质含量都很高，环境十分恶劣，因此勘探开 发难度大、成本高，油田建设投资巨大。随着油田的 不断开发生产，油田含水量持续上升，腐蚀问题将越 来越严重。塔里木油田腐蚀的类型属于在高温、高压 下含 CO2-H2 S-Cl/CO2-C1 和地层水中的 CO2 腐 蚀， 腐蚀类型以具有自催化加速发展特征的局部腐蚀为 主，且腐蚀速率很高，而均匀腐蚀则较轻微。腐蚀部位 的形状大多是点坑状、沟槽状以及具有平底锐边的台地状等。普通抽油杆使用寿命不到 3 个月，导致采油 现场经常更换抽油杆，降低效率增加了成本。在塔里 木油田使用镍钨合金镀层抽油杆，未出现一起断裂事 故，镍钨合金镀层抽油杆在高 H2 S 、CO2、Cl- 腐蚀性环 境的井况下，连续使用 1 年以上无任何问题。因油井 定期检修取出镍钨镀层抽油杆表面光亮，镍钨镀层完 好，有些油井使用 3 年以上，有效解决了高腐蚀油井 中的抽油杆腐蚀断裂和磨损问题，可大大减少修井作 业时间降低成本。

　　4 结语

　　镍钨镀层抽油杆外观光亮致密，钨质量百分含 量达到 12% 以上为纳米晶或非晶态结构，与基材有 良好的附着力，且对基材的力学性能没有影响;镍钨 镀层抽油杆的硬度高，使抽油杆具有优良的耐磨损性 能;镍钨镀层抽油杆经过中性盐雾和模拟油田含 Cl-、 CO2 和 H2 S 介质的腐蚀试验，大大提升了抽油杆的防 腐蚀性能，延长了使用寿命。镍钨镀层抽油杆可以有 效提高抽油杆的耐腐蚀耐磨损性能，延长抽油杆的作 业时间，减少了抽油杆的维护，提高采油效率降低成 本，在油田采油设备抽油杆上有广阔应用前景。

参考文献：

　　[1] 雷同鑫. 付江龙，张长科. 电沉积镍钨合金技术 在油管上的应用研究[J] . 化工管理，2022 (5)：76-79.

　　[2] 闫治涛，王冰冰，张毅，等. 某油井抽油杆腐蚀原 因[J] . 理化检验-物理分册，2020.56(11)：62-74.

　　[3] 董振东，童志，周洪宇，等. 抽油杆钢材的发展和 抽油杆的服役失效[J] . 材料导报，2021 (19)：1-21.

　　[4] 雷同鑫. 电镀钨合金技术及其在石油开采中的 应用研究[J] . 化工管理，2018 (3)：65-66.