石油鉆機腐蝕問題及處理措施

魯運來，胡 彪，張國輝，羅 軍

（西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

腐蝕是由于金屬材料受環(huán)境的影響，在化學(xué)或電化學(xué)的作用下引起結(jié)構(gòu)的變質(zhì)和破壞，在鉆機中使用的多半是鋼鐵材料，鋼鐵材料屬于鐵基，在氧和水的作用下形成含水氧化物，這種腐蝕的產(chǎn)物通常稱為鐵銹。在工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備腐蝕情況非常普遍，每年由于腐蝕造成的損失占到國民生產(chǎn)總值的3%左右，近期美國有報道稱，由于腐蝕產(chǎn)生的經(jīng)濟損失高達3000億美元[1-5]。腐蝕是石油工業(yè)中金屬設(shè)備破壞的最常見的原因，腐蝕增加管道設(shè)備的事故率，造成石油工業(yè)生產(chǎn)的泄漏和停工事故，并由此帶來環(huán)境污染。在我國由于管道腐蝕破壞造成的事故約占1/3，特別是在含水量較高的環(huán)境中，設(shè)備的腐蝕問題更為嚴重，影響到工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)穩(wěn)定的發(fā)展。

1 鉆機面臨的腐蝕問題

石油鉆機在石油勘探中用于鉆取巖石和礦層進行采樣和探明地質(zhì)情況的機械設(shè)備。在油氣勘探過程中發(fā)揮著重要的作用，石油鉆機被廣泛應(yīng)用于陸地石油開發(fā)和海上油氣開發(fā)，近海的石油鉆機大部分采用的是陸地石油鉆機，防腐工藝為傳統(tǒng)的噴漆方式，因近海的石油鉆機常年在海邊工作，受海洋環(huán)境的影響，設(shè)備腐蝕加劇，機械性能受到影響，鉆機的使用年限縮短，維護成本逐年增加。

2 鉆機防腐處理措施

2.1 鉆機防腐處理要求

對于在陸地上使用的鉆機，在沙漠干燥地區(qū)，鉆機的碳鋼部件腐蝕速率較低，表面油漆易起皮掉落，對于這些地區(qū)的防腐，通常是采取定期更換高分子材料配件和進行補漆工作。在酸雨環(huán)境下，由于二氧化硫的含量偏高，鉆機的腐蝕速率明顯偏高，這些區(qū)域的鉆機通常應(yīng)該選用錳鋼材料為基體，并加厚防腐層。高原環(huán)境中海拔高，氣壓低，太陽輻射強，高分子材料易被腐蝕，金屬腐蝕較輕。熱帶雨林地區(qū)高溫多雨，腐蝕更為嚴重，需要重防腐涂料來防護。

對于海洋附近用的鉆機，特別是海洋鉆井平臺，針對不同的海洋腐蝕環(huán)境，有不同的防腐措施。針對海洋大氣環(huán)境，濕度大，水中含有大量的鹽分，易在設(shè)備表面形成水膜，具備電化學(xué)腐蝕條件，目前最新采用的方法是在采取涂層防護的基礎(chǔ)上使用低合金鋼，提高耐腐蝕性。針對飛濺區(qū)，鋼鐵表面有水氣，碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速度高達500 μm/a，腐蝕不均勻，海浪形成的氣泡對結(jié)構(gòu)表面具有較大的破壞作用，解決措施是提高結(jié)構(gòu)件的壁厚，或采用有機防腐層增強，并采用250 μm以上的防腐涂層。在潮差區(qū)通常與海水接觸的較多，會受到嚴重的腐蝕，因此必須采用兩層涂層防護，例如使用環(huán)氧樹脂加聚氨酯兩層疊加防護。全浸區(qū)的腐蝕速度最高可達180 μm/a，海水中的鹽、氧、沖擊、海洋生物等對全浸區(qū)都有很大的影響，采用防腐層和陰極保護等手段合用來進行防護[5-7]。海泥區(qū)含量量較低，電阻率也較高，腐蝕速度相對全浸區(qū)要低，采用陰極保護法可起到不錯的效果。

2.2 防腐處理材料

石油鉆機的防腐要求分為井架、底座、容器儲罐、走道和護欄等，根據(jù)鉆機使用環(huán)境和相關(guān)標準對環(huán)境的要求，鉆機主設(shè)備和容器的外表屬于高溫、高濕的環(huán)境，井架和底座設(shè)計的防腐能力須達到20 a以上，井場設(shè)備須達到15 a以上，容器儲罐和走道等須10 a以上。為了滿足設(shè)計壽命的要求，可以考慮使用熱浸鋅、冷噴鋅、鋅鉻涂層處理等方法，以及使用316不銹鋼材料和各種防腐涂料。

熱浸鋅是將鋼鐵結(jié)構(gòu)件放入融熔的鋅液中，將鋼鐵表面覆蓋一層鋅來達到防腐的作用。在大氣環(huán)境下，鋅的表面可以形成氧化鋅以及鋅鹽，這些氧化物形成保護膜，可以減緩鋅的腐蝕，即使在鋅層被嚴重破壞，使鐵層暴露時，鋅與鐵也能通過電位差形成微電池，鐵作為陰極可以受到保護。熱浸鋅可讓融熔鋅均勻的覆蓋在設(shè)備的表面，硬度也比鋼鐵材料的硬度大，耐磨性也比鋼材要好。熱浸鋅也有氫脆的缺點，容易發(fā)生突然的斷裂，浸漬鋅液時操作溫度高，會降低構(gòu)件的機械強度，涂層交界處易發(fā)生開裂、氣孔等。

冷噴鋅傳統(tǒng)的方法適用于體積較小的設(shè)備，利用輔助氣體將鋅粉高速噴向鐵金屬表面，由于在鐵的表面發(fā)生塑性形變而將鋅粉沉積在表面，這種方法最大的優(yōu)點是工藝溫度相對較低，具有陰極保護和屏障式保護雙重作用，冷噴工藝的造價較高，但有良好的配套性，適合于鉆機的主機、鉆臺面設(shè)備和固定控制設(shè)備等。

鋅鉻涂層是一種新型的防腐處理方法，將鉻酸與鋅、鋁和鋼鐵金屬發(fā)生反應(yīng)，形成致密的鈍化隔層，這層鈍化膜具有壁壘效應(yīng)，比傳統(tǒng)的電鍍鋅耐腐蝕性要高出近10倍，沒有熱浸鋅的氫脆性缺點，具有較高的耐溫性、耐磨性、耐候性、滲透性，適用于高強度的部件。鋅鉻涂層的缺點是燒結(jié)溫度比較高，需要較長的處理時間，導(dǎo)電性能稍差，顏色較為單一，成本略高于熱浸鋅，適用于小件物體。

316不銹鋼材料含有的鉻含量較高，可以與環(huán)境中的氧氣形成氧化膜，富鉻氧化膜可以阻止氧氣的進一步入侵，具備較為優(yōu)秀的耐腐蝕性、耐高低溫性能和良好的工藝性能，但是采用316不銹鋼的成本較高，是普通不銹鋼的價格的1.5倍，電阻率較高，部分石油鉆機中的防護設(shè)備可采用316不銹鋼材料。

除了采用防腐處理的材料之外，對設(shè)備進行涂料涂刷涂層是必不可少的，針對不同環(huán)境選用不同的涂層體系，環(huán)氧富鋅底漆是環(huán)氧樹脂和鋅粉為主要原料，加上各種增稠劑和助劑，在腐蝕環(huán)境中，鋅粉通過電化學(xué)作用保護鋼鐵基體，富鋅底漆具有較好的附著力，鋅粉含量較高，具有較好的耐性性能和機械性能。富鋅底漆不用直接用于鉆機設(shè)備，須與中間漆和面漆配合使用。底漆還可以使用環(huán)氧鋅黃底漆、環(huán)氧玻璃鱗片底漆等。中間漆常見的有環(huán)氧云鐵中間漆，其主要是由灰色云母氧化鐵、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂等組成，漆膜具有較好的耐鹽水性能，有良好的力學(xué)性能，具有較好的抗?jié)B透屏蔽性能，但是氣溫過低時，環(huán)氧樹脂固化慢，潮濕天氣不宜施工。面漆通常采用的是環(huán)氧煤瀝青防腐面漆和氟碳樹脂面漆等，環(huán)氧煤瀝青溶劑含量低，成膜迅速，施工方便，涂層厚實，氣孔較少，干燥速度較快，但在濕度＞80%時不宜施工。氟碳樹脂引入了氟元素，使分子結(jié)構(gòu)中形成氟碳鍵聚合鏈，具有特殊的保護結(jié)構(gòu)，可以抵御氧化褪色、起皺等。氟碳樹脂面漆的優(yōu)點在于具有超長的耐候性，使用壽命高達20 a。

2.3 防腐施工

為延長石油鉆機的使用壽命，防腐的施工也有一定要求，鉆井設(shè)備的外表面首先進行冷噴鋅防腐處理，然后采用復(fù)合涂料噴涂法進行二道防腐。中間層第一道使用環(huán)氧封閉底漆，干膜厚度30 μm，間隔24 h候噴涂中間第二層厚凃型環(huán)氧中間漆，干膜厚度為150 μm，最后等中間層干后噴涂氟碳樹脂面漆，干膜厚度需要達到60 μm。底座下平面可以采用冷噴鋅，環(huán)氧封閉底漆，環(huán)氧煤瀝青防腐面漆三道涂料工序。鉆臺面涂料施工采用環(huán)氧富鋅底層+抗磨損環(huán)氧樹脂中間層+抗磨損環(huán)氧樹脂面漆3道工序。油腔內(nèi)表面采用環(huán)氧酚醛樹脂漆涂刷兩道，每道厚度為（40～50）μm，固控館外表面與鉆井外表面涂刷工藝類似。設(shè)計采用的防腐噴涂工藝首先是設(shè)備表面處理，然后進行噴涂底漆，刮膩子后進行中間涂層，最后進行面漆的施工。薄板表面處理首先是需進行脫脂處理，再進行手工打磨，打磨后清洗干燥，然后再進行噴涂底漆。結(jié)構(gòu)件的表面處理是用表面噴砂處理代理手工打磨。現(xiàn)場涂裝的施工方法有輥刷、無氣噴涂、空氣噴涂等方法。

3 鉆機防腐維護

在石油鉆機使用過程中，設(shè)備外表面防腐被破壞，需要做現(xiàn)場修補。一般修補工藝流程：結(jié)構(gòu)處理→表面處理→預(yù)先涂刷→冷噴鋅→環(huán)氧封閉底漆→環(huán)氧中間漆→氟碳面漆。

底漆的施工方法：先將涂料進行混合，冷噴鋅涂料容易沉淀，攪拌均勻后才施工，施工過程中應(yīng)不時攪拌，防止沉淀?，F(xiàn)場涂裝方法為刷涂、輥涂、噴涂等方法，噴涂孔徑為0.5 mm，噴出壓力為10 MPa左右，噴槍的距離約為50 cm，第一道環(huán)氧封閉漆噴涂時，要加入20%的稀釋劑，形成噴霧狀，使得表面得到全部濕潤以便更好的滲入到冷噴鋅涂層中去。環(huán)氧中間漆的施工也可以采用噴涂，壓力在100 kg/cm2，施工后濕膜厚度須在120 μm以上。最小涂裝間隔為16 h，施工過程中每一道工序應(yīng)保持表面清潔，避免厚度不足或者超標，中間漆應(yīng)保持無氣泡、無針孔，施工溫度和濕度控制在合理的范圍，漆膜干燥后應(yīng)平整光滑。施工過程中也須穿戴好勞保用品，現(xiàn)場嚴禁明火，高空作業(yè)須做好安全防范措施，保證通風(fēng)良好。

4 結(jié)語

石油鉆機的防腐技術(shù)一直是石油工業(yè)長期面臨的一個問題，特別是在鉆機使用環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，多次補漆效果仍不好，維護保養(yǎng)費用一直是筆較大的支出，維護不好容易造成設(shè)備使用周期縮短，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故。本研究提出了對鉆機綜合防腐的方案，針對不同的適用地區(qū)設(shè)計不同的防腐方案，并根據(jù)不同的設(shè)備采用不用的防腐施工工藝和涂料配方，并在使用過程中須加強鉆機的維護和保養(yǎng)，對設(shè)備腐蝕區(qū)進行修補涂漆，增加了防護時間，提高了鉆機的防腐蝕能力，延長了鉆機使用年限。

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