某油氣田混輸管道內(nèi)絕緣涂層及防腐蝕工藝的適用性

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(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 西北油田分公司，烏魯木齊 830011； 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083)

近年來，涂層腐蝕技術(shù)在油氣管線、化學(xué)儲(chǔ)罐和其他工業(yè)設(shè)施上得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。作為腐蝕防護(hù)的第一道防線，涂層完整性對(duì)于被保護(hù)設(shè)施的服役安全有著重要的作用[5-6]。隨著需求的增加，越來越多類型的涂料被開發(fā)應(yīng)用。但不同類型的涂料在環(huán)境抗力方面存在性能差異；且不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)涂層性能的要求也存在差異[7-10]。因此，針對(duì)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的方法對(duì)涂層材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于提高涂層的服役壽命，降低失效風(fēng)險(xiǎn)，有著重要的意義。

涂層的防護(hù)效果由絕緣性能(介質(zhì)阻隔能力)，與基體的結(jié)合能力(附著能力)及耐流體沖刷性能(耐磨性)共同決定，其中任一性能存在問題，均會(huì)導(dǎo)致涂層提前失效。通常涂料生產(chǎn)方在出廠時(shí)會(huì)參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層的耐酸堿性，原始附著力和耐磨性進(jìn)行測(cè)試，以保證產(chǎn)品合格。但實(shí)際管道處于高溫高壓腐蝕環(huán)境，且管道內(nèi)存在CO2介質(zhì)，導(dǎo)致服役環(huán)境比標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的常規(guī)測(cè)試條件更為苛刻。除此之外，涂層在現(xiàn)場(chǎng)涂覆過程中，涂覆方式的選擇以及基材表面的噴砂、清洗、涂層干燥時(shí)間等工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)涂層的實(shí)際防護(hù)效果產(chǎn)生較大的影響[11-14]。為保證工程的安全可靠，本工作選定3種常用涂層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行高溫高壓模擬浸泡試驗(yàn)。通過試驗(yàn)前后涂層的表觀形貌觀察，絕緣性能測(cè)試，附著力及耐磨性測(cè)試，對(duì)不同涂層在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；并通過腐蝕形貌觀察，厚度及漏點(diǎn)測(cè)試對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)送擠涂防腐蝕工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為油氣管段涂層的選材和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)選取鈦納米涂層(1號(hào)涂層)，環(huán)氧涂層(2號(hào)涂層)和環(huán)氧基玻璃鱗片涂層(3號(hào)涂層)3種常用涂層材料，分別在基板上進(jìn)行涂覆。由于涂層的涂覆工藝對(duì)涂層質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，為保證涂層的有效性，試板表面處理、涂覆工藝和干燥時(shí)間均參照GB/T 20777-2006《色漆和清漆試樣的檢查和制備》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。

浸泡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考NACE TM0174-2002《防護(hù)涂料和襯里材料在浸潤(rùn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法》，采用高溫高壓反應(yīng)釜模擬混輸管道內(nèi)部工況環(huán)境，試驗(yàn)溶液為地層水模擬溶液，地層水模擬溶液用分析純化學(xué)試劑和去離子水配制，總礦化度為15 885.62 mg/L，其中，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 542.03 mg/L，HCO3-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為671.22 mg/L。試驗(yàn)前預(yù)先向模擬地層水溶液中通入高純N2除氧，然后通入CO2使壓力達(dá)到500 kPa，試驗(yàn)時(shí)間為7 d，試驗(yàn)溫度為30 ℃和90 ℃。試驗(yàn)結(jié)束后觀察涂層試樣的表觀形貌，并對(duì)涂層的絕緣性能，附著力和耐磨性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

附著力測(cè)試依據(jù)GB/T 5210-2006《色漆和清漆拉開法附著力實(shí)驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，采用拉開法進(jìn)行，測(cè)試儀器為PosiTest液壓型附著力測(cè)試儀，測(cè)試時(shí)將鋁合金圓柱表面和涂層樣片測(cè)試位置用粒度70～40 μm砂紙打磨，并用酒精擦拭吹干。按正確比例混合AB膠，將鋁合金圓柱壓黏在涂層試樣表面，在40 ℃下固化6 h。測(cè)試前，用刀具圍繞鋁合金圓柱切割涂層到底材。用附著力測(cè)試儀拉拔圓柱，并記錄破壞強(qiáng)度值。每種條件測(cè)試3個(gè)平行試樣，每個(gè)平行試樣測(cè)試2個(gè)點(diǎn)。

耐磨性測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1768-2006《色漆和清漆耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試橡膠輪型號(hào)為CS-10，測(cè)試條件為1 000 g/1 000 r，每種條件測(cè)試3個(gè)平行試樣，測(cè)試試驗(yàn)前后涂層的質(zhì)量損失，以平均值表征涂層的耐磨性。

采用風(fēng)送擠涂防腐蝕工藝，制備一段環(huán)氧內(nèi)涂層試驗(yàn)管節(jié)，在現(xiàn)場(chǎng)混輸管道上進(jìn)行旁路試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為1 a，對(duì)試驗(yàn)后涂層的厚度，漏點(diǎn)，涂層表面及涂層/管道界面腐蝕形貌進(jìn)行測(cè)試與觀察，分析涂層服役狀況。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層篩選評(píng)價(jià)

2.1.1 表觀形貌

由表1可見：浸泡試驗(yàn)后，2號(hào)涂層和3號(hào)涂層均未發(fā)生變化；而1號(hào)涂層在30 ℃浸泡7 d后，邊緣區(qū)域出現(xiàn)破損，90 ℃浸泡7 d后，表面出現(xiàn)大面積開裂脫落情況，見圖1。

表1 3種涂層在不同溫度浸泡7 d后的情況Tab. 1 Status of 3 coatings immersed for 7 d at different temperatures

(a) 30 ℃

(b) 90 ℃圖1 1號(hào)涂層在30 ℃和90 ℃浸泡7 d后的表觀形貌Fig. 1 Apparent appearance of coating 1 after 30 ℃ and 90 ℃ immersion test for 7 d

2.1.2 附著力

涂層附著力主要由涂層與底材金屬表面的附著力以及涂層本身的內(nèi)聚力兩方面決定。若不能牢固地附著于金屬的表面，再完好的涂層也起不到作用；若涂層本身內(nèi)聚力差，漆膜容易開裂而失去作用。以上兩者共同決定了涂層的附著力，構(gòu)成涂層保護(hù)作用的關(guān)鍵因素。因此，不同環(huán)境中涂層附著力大小和斷裂模式，以及與原始性能相比所表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)是涂層適用性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

由圖2可見：1號(hào)涂層浸泡試驗(yàn)前的附著力為2～5 MPa，比較低，經(jīng)過30 ℃浸泡試驗(yàn)后，附著力未見明顯下降，而經(jīng)過90 ℃浸泡試驗(yàn)后，涂層大面積脫附，附著力明顯下降。由圖3可見：未浸泡的1號(hào)涂層經(jīng)過附著力測(cè)試后，測(cè)試柱與涂層間的膠黏劑脫開，涂層與基體間附著完好；低溫(30 ℃)浸泡后,1號(hào)涂層經(jīng)過附著力測(cè)試后，涂層部分區(qū)域與基體間界面發(fā)生失效，露出金屬基體；高溫(90 ℃)浸泡后,涂層經(jīng)過附著力測(cè)試后，涂層大面積脫落，說明環(huán)境對(duì)1號(hào)涂層的附著性能產(chǎn)生了極大的影響。

圖2 1號(hào)涂層浸泡前后的附著力Fig. 2 Adhesion of coating 1 before and after immersion

由圖4可見：2號(hào)涂層浸泡前的附著力均高于7 MPa。經(jīng)過高溫(90 ℃)和低溫(30 ℃)和浸泡后，涂層附著力均有所下降，高溫條件下的降低幅度要高于低溫條件下的。由圖5可見：未浸泡的2號(hào)涂層經(jīng)過附著力試驗(yàn)后(拉拔力為7 MPa)，測(cè)試柱與涂層未脫開，表明涂層與基體間附著完好，涂層的真實(shí)附著力大于測(cè)試值；經(jīng)過低溫(30 ℃)浸泡后再進(jìn)行附著力試驗(yàn)，測(cè)試柱與涂層未脫開或二者間的膠黏劑脫開，涂層與基體保持較好的結(jié)合；經(jīng)過高溫(90 ℃)浸泡后再進(jìn)行附著力試驗(yàn)，整個(gè)測(cè)試區(qū)域涂層與基體間界面發(fā)生失效，露出金屬基體，此時(shí)涂層與基體之間的結(jié)合較差。

(a) 試驗(yàn)前 (b) 30 ℃,試驗(yàn)后 (c) 90 ℃,試驗(yàn)后圖3 1號(hào)涂層浸泡前后的附著力試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Adhesion test results of coating 1 before (a) and after (b, c) immersion

由圖6可見：未浸泡3號(hào)涂層的附著力存在一定的分散性；經(jīng)過低溫(30 ℃)和高溫(90 ℃)浸泡后，涂層附著力未發(fā)生明顯降低。由圖7可見：浸泡前后試樣經(jīng)過附著力試驗(yàn)后，測(cè)試區(qū)域的斷裂模式為測(cè)試柱與涂層間的膠黏劑脫開，涂層與基體保持較好結(jié)合；高溫浸泡后，測(cè)試區(qū)域涂層與基體間界面發(fā)生失效，露出金屬基體。

圖4 2號(hào)涂層浸泡前后的附著力Fig. 4 Adhesion of coating 2 before and after immersion

(a) 試驗(yàn)前 (b) 30 ℃,試驗(yàn)后 (c) 90 ℃,試驗(yàn)后圖5 2號(hào)涂層浸泡前后的附著力試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Adhesion test results of coating 2 before (a) and after (b, c) immersion

圖6 3號(hào)涂層浸泡前后的附著力Fig. 6 Adhesion of coating 3 before and after immersion

由圖2～7可見：1號(hào)涂層在浸泡前后的的附著力均偏??；3號(hào)涂層在浸泡前后的附著力均較高，但存在一定的分散性，可能與試片的制備差異有關(guān)，因此在實(shí)際涂層涂覆時(shí)，要嚴(yán)格控制表面處理、噴涂和固化工藝，盡量降低涂層性能的分散性；2號(hào)涂層在浸泡前和低溫(30 ℃)浸泡后，附著力均保持在較高的水平，但經(jīng)高溫(90 ℃)浸后，附著力大幅降低。

(a) 試驗(yàn)前 (b) 30 ℃,試驗(yàn)后 (c) 90 ℃,試驗(yàn)后圖7 3號(hào)涂層浸泡前后的附著力試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Adhesion test results of coating 3 before (a) and after (b, c) immersion

2.1.3 耐磨性

耐磨性是漆膜耐流體沖刷的性能。耐磨性與聚合物分子結(jié)構(gòu)、涂料中填料種類及玻璃化轉(zhuǎn)換溫度(Tg)有關(guān)，同時(shí)涂層的硬度和光滑度也會(huì)影響其耐磨性。耐磨性差的涂層，在流體介質(zhì)的沖刷作用下，容易減薄甚至穿孔露出基體，降低涂層的服役壽命。因此,不同環(huán)境中涂層的耐磨性也是涂層適用性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

由圖8可見：2號(hào)涂層在浸泡前后的耐磨性相對(duì)較好，而1號(hào)和3號(hào)涂層的耐磨性相對(duì)較差，故選擇2號(hào)涂層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)。

圖8 三種涂層浸泡前后的耐磨性Fig. 8 Abrasion resistance of three kinds of coating before and after immersion

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

采用送風(fēng)擠涂的方法在某試驗(yàn)管段內(nèi)涂覆了一層2號(hào)涂層，采用涂層測(cè)厚儀測(cè)試了試驗(yàn)管段內(nèi)涂層的厚度。結(jié)果表明：涂層厚度約為1～3 mm，沿環(huán)向涂層在管道內(nèi)的厚度分布不均，最薄處約為1.5 mm，而最厚處約為2.2 mm。

參照標(biāo)準(zhǔn)SY-T 0063-1999 《管道防腐層檢漏試驗(yàn)方法》要求，利用低壓檢漏儀測(cè)試涂層的漏點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果顯示，在長(zhǎng)91.08 mm，寬53.22 mm的測(cè)試區(qū)域，共檢測(cè)到12個(gè)針孔。

由圖9可見：涂層內(nèi)表面沒有明顯破損，但有輕微鼓泡，且涂層表面存在不規(guī)則起伏等缺陷。

在解剖管段的過程中發(fā)現(xiàn)，涂層與金屬基管的黏合不牢固，一旦受到振動(dòng)，二者即會(huì)分離。另外，涂層韌性較差，特別是因?yàn)橥繉雍穸炔痪?，在管?nèi)受到外力作用時(shí)，涂層貼近金屬管壁的外表面受拉應(yīng)力，內(nèi)表面受壓應(yīng)力，易萌生裂紋甚至斷裂，失去對(duì)金屬管的保護(hù)能力。尤其是焊縫處涂層，應(yīng)力集中，容易失效。

將風(fēng)送擠涂試驗(yàn)管段沿縱向解剖，觀察管線基體內(nèi)部的腐蝕情況。由圖10可見：試驗(yàn)管段基管內(nèi)表面已經(jīng)發(fā)生了一定程度的均勻腐蝕，且在部分區(qū)域，基管內(nèi)表面的腐蝕呈現(xiàn)一定的不均勻性。

(a) 涂層起泡 (b) 涂層起泡 (c) 涂層起伏不規(guī)則圖9 試驗(yàn)管段內(nèi)表面的宏觀形貌Fig. 9 Macro morphology of the test pipeline: (a) bubble; (b) bubble; (c) fluctuating irregularly

圖10 試驗(yàn)管段內(nèi)表面腐蝕形貌Fig. 10 Inner surface corrosion morphology of the test pipeline

綜上可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管段涂層厚度不均勻、存在針孔，涂層與基管結(jié)合較差，韌性差、在結(jié)構(gòu)突變等應(yīng)力集中處容易發(fā)生涂層崩裂，基管表面發(fā)生了一定的腐蝕。涂層的服役性能與涂覆工藝有著重要的關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)[11,14-15]，實(shí)際施工前管道的表面狀態(tài)，表面粗糙度及清潔度，涂覆環(huán)境參數(shù)的控制及不同道次間的干燥時(shí)間均對(duì)涂層的機(jī)械性能有著重要的影響。在實(shí)際涂覆過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)論

(1) 鈦納米涂層在高壓浸泡后出現(xiàn)表面破損和脫落現(xiàn)象，無法在服役環(huán)境中對(duì)基體提供有效的防護(hù)作用，環(huán)氧涂層和環(huán)氧基玻璃鱗片涂層的綜合性能相對(duì)較好，但環(huán)氧基玻璃鱗片涂層的耐磨性較差，環(huán)氧涂層在高壓模擬浸泡后附著力較原始性能有所下降，具有一定的服役風(fēng)險(xiǎn)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)一步評(píng)估其適用性。

(2) 試驗(yàn)用三種涂層在出廠前均通過了耐酸性、耐堿性等常規(guī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，但在模擬混輸管道內(nèi)腐蝕環(huán)境中，大部分涂層表現(xiàn)出了不同程度的失效或性能降低。為了避免出現(xiàn)類似情況，針對(duì)不同工況進(jìn)行內(nèi)防腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮服役環(huán)境中涂層的適用性評(píng)價(jià)和選型。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)送擠涂管件，涂層厚度分布不均、有鼓泡、針孔、與基體黏合不牢、韌性差、在結(jié)構(gòu)突變等應(yīng)力集中處容易發(fā)生涂層崩裂，如不能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行施工，該類管線發(fā)生腐蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)較大。

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