鎳基耐蝕合金涂層在油氣田壓力容器內(nèi)壁防腐的應用

常澤亮， 毛學強， 馬天兵， 漆亞全， 侯應黎

（1. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒841000；2. 洛陽朗力表面技術有限公司， 河南 洛陽471003）

1 油氣田壓力容器的運行工況及防腐措施

隨著我國三高（高Cl-、 高H2S、 高CO2） 油氣田的相繼投產(chǎn)， 油氣井采出水中Cl-、 H2S、CO2等腐蝕性組分含量越來越高， 高溫和低pH值促進腐蝕的問題越來越突出。 在這種復雜的腐蝕性環(huán)境下， 油氣田壓力容器等設備常發(fā)生全面腐蝕、 應力腐蝕、 點蝕、 晶間腐蝕、 縫隙腐蝕及垢下腐蝕等多種失效[1]。

1.1 油氣田壓力容器分類及材質(zhì)

油氣田中與三高介質(zhì)接觸的壓力容器超過70%， 主要包括分離器、 換熱器、 儲存容器及塔器等， 其中三類壓力容器超過20%， 這些設備設計壓力一般低于16 MPa， 操作溫度小于100 ℃， 低溫容器的操作溫度高于－70 ℃。 目前， 國內(nèi)外三高油氣田的壓力容器材質(zhì)主要有Q235、 20 系列、16MnR 系 列、 SA516、 SA106、 SA333、 316L、07Cr2AlMoRE、 09MnNiDR 等碳鋼和低合金鋼[2]。

1.2 腐蝕工況及防腐措施

三高油氣田的設備腐蝕情況非常復雜， 國內(nèi)外專家也進行了大量的試驗研究， 腐蝕機理包括濕H2S 腐蝕、 CO2腐蝕、 H2S 和CO2的協(xié)同作用、Cl-與H2S 和CO2的協(xié)同作用、 溫度對腐蝕的影響、 pH 值對腐蝕的影響、 介質(zhì)流速對腐蝕的影響、 成膜和結垢對腐蝕的影響[3]。

針對目前的腐蝕現(xiàn)狀， 國內(nèi)外油氣田研究使用了一些防腐措施[4]， 起到了一定的防腐作用，但仍有部分問題難以解決。 常見的油氣田防腐措施包括： ①加注緩蝕劑。 成本較低， 適用于輸送液相介質(zhì)的管線防腐， 對于氣相介質(zhì)的環(huán)境則防護效果較差。 ②陽極保護+防腐涂料。 常用環(huán)氧類防腐涂料在常溫下就有較好的耐蝕性，但易老化、 脫落， 一般用于低壓容器。 ③基材采用耐蝕合金。 耐蝕合金具有良好的耐蝕性，適用于多種腐蝕工況， 但造價成本昂貴， 采購困難， 難以大量推廣。 ④采用耐蝕合金復合板。耐蝕合金復合板具有較好的耐蝕性， 成本具有一定的優(yōu)勢， 但厚壁復合板的熱處理存在技術難題。 ⑤非金屬防腐涂層。 國外公司有在常壓容器內(nèi)壁采用涂覆非金屬防腐涂層， 但在高壓容器的應用較少。

2 金屬防腐涂層的開發(fā)

熱噴涂技術在近年來得到了廣泛應用[5]， 其具備以下優(yōu)點： ①涂層材料種類不限， 純金屬及其合金、 陶瓷材料、 其他非金屬材料都可用來熱噴涂制備涂層[6]； ②涂層結合強度高， 可達70 MPa以上； ③生產(chǎn)效率高， 大多已經(jīng)實現(xiàn)自動化、 機械化； ④節(jié)約貴金屬， 降低使用成本， 在基體表面制備不到1 mm 的涂層， 都能達到耐磨防腐的功能。 根據(jù)熱噴涂工藝技術的特點， 結合三高油氣田壓力容器的使用工況， 研究開發(fā)了新型釬涂涂層工藝及新型鎳基耐蝕合金。

2.1 新型釬涂工藝

釬涂主要工藝為： 基體檢測→表面預處理→表面噴砂處理→檢測表面處理質(zhì)量 （粗糙度等）→噴涂施工→檢測涂料厚度→涂料重熔→局部修補→涂層厚度檢測→著色探傷→局部修補→退火處理→水壓試驗→封孔處理。 該工藝是介于熱噴涂和焊接工藝之間的特殊涂層成型工藝， 它結合了熱噴涂和焊接的優(yōu)點[7-9]。 釬涂工藝設備主要包括： 高頻釬涂設備、 能量轉(zhuǎn)換器、 工業(yè)機器人。 釬涂工藝具備以下優(yōu)點： ①結合強度高。 涂層與基體材料是冶金結合， 結合強度可達200 MPa 以上。②涂層孔隙率低。 涂層的孔隙率接近為0。 ③涂層均勻致密。 在磁場的作用下， 得到穩(wěn)定均勻致密的涂層組織。 ④對基體的熱影響小。 涂層可在1～3 s內(nèi)迅速達到加熱溫度， 對基體的熱影響小。 ⑤自動化程度高。 整個作業(yè)過程依靠工業(yè)機器人機械化操作， 保證涂層質(zhì)量均勻穩(wěn)定可靠。

2.2 新型金屬涂層材料

經(jīng)過試驗、 檢測、 篩選、 驗證， 選配出一種新型金屬涂層材料， 涂層材料是在Ni－Mo－Cr－Fe－W 系列鎳基耐蝕合金的基礎上通過成分添加調(diào)配， 匹配釬涂工藝， 研發(fā)成功的一種耐蝕合金。釬涂鎳基耐蝕合金的涂層性能檢測結果見表1。

表1 釬涂鎳基耐蝕合金涂層性能檢測結果

3 釬涂鎳基耐蝕合金涂層的應用

2014 年4 月， 利用釬涂技術在某油氣田高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁表面制備了鎳基耐蝕合金涂層，如圖1 所示， 設備的運行工況參數(shù)見表2， 2015—2019 年現(xiàn)場PT 滲透探傷檢測涂層使用情況如圖2所示。 采用PosiTector 6000 FNS3 測厚儀對罐壁某一固定區(qū)域進行金屬涂層厚度檢測， 檢測結果見表3。 由表3 可以看出， 2015—2019 年金屬涂層厚度基本沒有變化。

設備自2014 年7 月運行至今， 運行使用情況良好， 達到了預期的效果， 表現(xiàn)在以下幾點：

（1） 涂層結合強度高。 具有很好的韌性， 不易脫落， 避免了因有機涂料防腐層脫落出現(xiàn)的腐蝕加速現(xiàn)象的發(fā)生。

（2） 涂層均勻致密。 避免了設備由于焊縫處材料成分不均勻?qū)е碌狞c蝕現(xiàn)象。

（3） 施工工藝對基體材料損傷很小。 有效克服了設備因熱處理而降低耐蝕性的缺點。

（4） 涂層防腐效果良好。 提高了設備運行的安全可靠性、 減少了現(xiàn)場操作人員的維修工作量， 具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖1 高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁釬涂制備耐蝕合金涂層

表2 設備運行參數(shù)

圖2 2015—2019 年現(xiàn)場PT 滲透探傷檢測涂層使用情況

表3 高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁鎳基耐蝕合金涂層厚度檢測結果

4 釬涂制備鎳基耐蝕合金涂層經(jīng)濟性分析

釬涂制備鎳基耐蝕合金涂層技術采用機械化、 自動化工裝， 生產(chǎn)效率高， 涂層質(zhì)量均勻穩(wěn)定， 涂層厚度在1 mm 內(nèi)就能達到很好的耐腐蝕效果， 節(jié)省了貴重金屬的使用量， 具有很好的成本優(yōu)勢。 壓力容器內(nèi)壁采取不同防腐措施費用對比結果見表4。 由表4 可以看出， 釬涂鎳基耐蝕合金涂層具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢、 很大的發(fā)展和推廣前景， 能夠給油氣田設備的安全經(jīng)濟可靠運行帶來有力的保障。

表4 壓力容器內(nèi)壁采取不同防腐措施費用對比結果

5 結 論

（1） 釬涂鎳基耐蝕合金涂層已成功應用于某油氣田壓力容器設備內(nèi)壁防腐， 其結合強度、 孔隙率、 耐腐性等性能得到驗證。

（2） 釬涂耐蝕合金涂層具有較好的成本優(yōu)勢， 提高了設備的使用壽命， 減少了停產(chǎn)檢修時間， 保障了油氣生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。

（3） 現(xiàn)場應用效果跟蹤表明， 釬涂鎳基耐蝕合金涂層可達到預期的防腐效果。