一種鋼管內(nèi)防腐用氟聚合彈性涂層性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用

蒲夢(mèng)雅， 劉亞明， 肖永成， 孫文盛，劉成坤， 盧建峰， 唐成建

（1. 資陽石油鋼管有限公司， 四川 資陽641300； 2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008； 3. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008）

隨著油氣資源深入開發(fā)， 注水、 注氣、 注聚等增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用， 使油田集輸管道的內(nèi)腐蝕更加嚴(yán)重， 腐蝕穿孔結(jié)垢等問題突出。 目前， 國內(nèi)外普遍采用的內(nèi)防腐技術(shù)是內(nèi)涂鍍層或加裝襯里，其中橡膠襯里具有較好的耐腐蝕性、 耐磨性， 逐步應(yīng)用于油氣設(shè)備內(nèi)防腐[1]， 但在集輸管道中應(yīng)用較少。 集輸管道內(nèi)部腐蝕介質(zhì)包含了水、 原油和伴生氣， 因此對(duì)管道內(nèi)防腐涂層提出了更高要求： 良好的耐蝕性、 延伸率和附著力； 良好的內(nèi)涂層致密性、 抗氣體滲透性能， 腐蝕氣體難以穿透； 優(yōu)異的耐熱溫性； 良好的電絕緣性、 耐候性等； 價(jià)格合理、 便于施工[2-3]。 為滿足涂層的這些特性要求，聯(lián)合涂料廠家開發(fā)了一種新型氟聚合彈性橡膠涂料（以下簡(jiǎn)稱氟聚合涂料）， 并在油田集輸管道進(jìn)行了應(yīng)用， 本研究對(duì)其做性能評(píng)價(jià)。

1 氟聚合涂料特點(diǎn)

氟聚合涂料是一種以有機(jī)硅、 氟橡膠、 環(huán)氧樹脂以及混合溶劑構(gòu)成的防腐涂料。 因其具有重防腐橡膠-硅橡膠互穿網(wǎng)絡(luò)的特殊結(jié)構(gòu)（表層氟聚合物， 中間層硅橡膠， 底層環(huán)氧樹脂）， 表現(xiàn)出較強(qiáng)耐化學(xué)性、 阻隔性、 抗高溫性和極低摩擦系數(shù)[4]。該涂料一次性成膜厚度在200 μm 以上， 噴涂方便， 涂層密閉性好、 壽命長。 因此， 氟聚合涂料理論上具有耐腐蝕、 耐熱以及耐蠟附著等特性。

2 鋼管內(nèi)噴涂工藝

本研究采用某SSS6 氟聚合涂料， 該涂料由A（基料） 和B （溶劑及固化劑） 兩種組分構(gòu)成。 首先對(duì)噴涂鋼管內(nèi)表面進(jìn)行噴砂除銹處理， 除銹質(zhì)量等級(jí)Sa2.5 級(jí)， 錨紋深度75～90 μm， 采用高壓無氣噴涂工藝， 試噴涂工藝參數(shù)見表1。

表1 SSS6 氟聚合涂料試噴涂工藝參數(shù)

當(dāng)噴涂壓力0.6 MPa， 噴涂車速10 Hz， 涂料A、 B 兩組份配比（體積比） 為1.3:1 時(shí)， 噴涂中涂料霧化良好， 涂層濕膜厚度（450±50） μm。 噴涂后， 涂層呈灰黑色， 外觀表面光潔、 色澤均勻，無氣泡、 流淌、 縮孔等表面缺陷， 如圖1 所示。 常溫干燥， 表干時(shí)間約8 min （完全固化48 h）， 成膜后干膜厚度不低于200 μm。 由表1 可以看出，涂料組分配比、 噴涂壓力和車速對(duì)氟聚合涂層外觀質(zhì)量有直接影響。 這是因?yàn)榕c環(huán)氧樹脂類硬性涂料相比， 氟聚合樹脂是彈性體， 涂料混合后黏度更高， 噴涂霧化工藝要求更為嚴(yán)苛； 另外組分配比需要精準(zhǔn)， 涂層表干時(shí)間過長或過短都可能會(huì)造成針孔、 流掛、 橘皮等外觀質(zhì)量缺陷。

圖1 SSS6 氟聚合涂料噴涂后的鋼管內(nèi)涂層形貌

3 氟聚合涂層檢測(cè)及性能評(píng)價(jià)

3.1 耐磨性試驗(yàn)

參照油管和套管內(nèi)涂層技術(shù)條件[5]， 試驗(yàn)設(shè)備采用LS 型涂層落砂耐磨試驗(yàn)機(jī)， 試板尺寸為152 mm×71 mm×2 mm 和145 mm×70 mm×2 mm共2 件， 使用400 L 石英砂（20～30 目） 進(jìn)行落砂耐磨試驗(yàn)， 計(jì)算涂層耐磨值A(chǔ)， 耐磨性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 氟聚合涂層耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

式中： A—涂層耐磨值， L/μm ；

V—石英砂體積， L；

δ1—磨損前涂層厚度， μm；

δ2—磨損后涂層厚度， μm。

試板涂層的平均耐磨值A(chǔ)=11.05 L/μm， 高于SY/T 6717—2016 《油套管內(nèi)涂層技術(shù)條件》的要求 （耐磨值≥2.0 L/μm）。

圖2 為經(jīng)過耐磨性試驗(yàn)后的試板形貌， 由圖2 可以看出， 耐磨性試驗(yàn)后試板磨損區(qū)域顏色基本無變化且有光澤， 表明氟聚合涂層耐磨性良好。

圖2 耐磨性試驗(yàn)后試板形貌

3.2 耐化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)

耐化學(xué)腐蝕試驗(yàn)試板尺寸為75 mm×150 mm×2 mm， 取3 組試板， 每組各2 個(gè)， 對(duì)試板兩面進(jìn)行噴涂， 干膜厚度約為200 μm， 試驗(yàn)溫度（23±2） ℃。 將噴涂后的試板分別浸入5%NaOH、3%NaCl 和10%H2SO4溶液槽中， 定期添加蒸餾水保持溶液濃度， 試驗(yàn)時(shí)間為90 天， 試驗(yàn)完成后將試板取出， 吸去表面殘留水分， 觀察涂層表面變化。

圖3 為不同溶液腐蝕后試板形貌， 由圖3 可以看出， 三種耐化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)后的涂層均無氣泡和涂層脫落現(xiàn)象， 5%NaOH 和3%NaCl 溶液對(duì)涂層表面基本無影響， 10%H2SO4溶液導(dǎo)致涂層有輕微顏色變化， 但涂層完好無損傷。 說明氟聚合內(nèi)涂層耐一定條件的化學(xué)環(huán)境腐蝕， 滿足中性、 弱堿性及較低酸性介質(zhì)輸送的防腐蝕要求。橡膠是一種化學(xué)穩(wěn)定性較高的高分子材料， 涂層顏色的輕微改變說明氧化性酸對(duì)其有微弱影響，發(fā)生膨潤現(xiàn)象[6-7]。

圖3 不同溶液中試板化學(xué)腐蝕后形貌

3.3 耐熱性試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用CT-7017-NU 型熱老化試驗(yàn)箱， 分別進(jìn)行耐熱性、 冷熱交替、 耐水煮三種耐溫試驗(yàn)。 耐熱性試驗(yàn)試板尺寸為75 mm×150 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度為200 μm， 試驗(yàn)溫度為200 ℃， 500 h 后取出試板冷卻至室溫， 觀察涂層顏色及涂膜表面變化； 冷熱交替試驗(yàn)試板尺寸為50 mm×150 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度200 μm， 試驗(yàn)溫度200 ℃， 16 h 后取出， 室溫下保持8 h， 循環(huán)此試驗(yàn)操作共10 個(gè)周期， 試驗(yàn)完成后取出試板并冷卻至室溫觀察涂層變化； 耐水煮試驗(yàn)試板尺寸為75 mm×150 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度200 μm， 在去離子水水浴中保持95 ℃， 1 000 h 后取出試板冷卻觀察涂層變化。試驗(yàn)后試板涂層形貌如圖4 所示。 由圖4 可以看出， 涂層200 ℃耐熱、 200 ℃冷熱交替、 95 ℃耐水煮試驗(yàn)結(jié)果良好， 涂層均無明顯變色、 氣泡、脫落以及開裂現(xiàn)象。 說明在溫度不高于200 ℃的前提下， 氟聚合涂層具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、 耐候性， 不易老化、 熔化。

圖4 不同耐熱試驗(yàn)后試板涂層形貌

3.4 耐鹽霧試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用Ascott 型鹽霧箱， 試板尺寸為150 mm×150 mm×2 mm， 涂層干膜厚度為300 μm，鹽霧溶液為50 g/L 的NaCl。 將試板進(jìn)行16 h 狀態(tài)調(diào)節(jié)后， 放入鹽霧箱內(nèi)樣品架上， 在（35±2） ℃條件下保持連續(xù)噴霧500 h， 試驗(yàn)完成后觀察涂層變化。 耐鹽霧試驗(yàn)后試板涂層形貌如圖5 所示。

圖5 耐鹽霧試驗(yàn)后試板涂層形貌

由圖5 可看出， 涂層無氣泡、 開裂、 無銹蝕，說明氟聚合涂層具有良好致密性， 有效阻止腐蝕性氣液滲透腐蝕基材[8]， 含氟材料涂層有助于金屬基材表面形成鈍化膜[9]， 適用于苛刻腐蝕環(huán)境[10-12]。

3.5 耐原油、 耐油田污水試驗(yàn)

試板尺寸為50 mm×150 mm×4.2 mm， 涂層平均厚度為230 μm， 完全浸入原油（80 ℃， 90 d）或油田污水 （80 ℃， 1 000 h） 的試液槽。 耐原油、 耐油田污水試驗(yàn)后試板涂層形貌如圖6所示。

圖6 耐原油、耐油田污水試驗(yàn)后試板涂層形貌

由圖6 可以看出， 耐原油試板涂層完好， 無鼓泡、 銹蝕和開裂現(xiàn)象， 無結(jié)蠟粘附現(xiàn)象； 耐油田污水試板涂層表面無氣泡、 鼓泡和銹蝕， 涂層顏色稍有變化但在合格范圍內(nèi)， 涂層耐原油和耐油田污水性能良好。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 該涂層應(yīng)用于油田集輸管道內(nèi)防腐具有明顯優(yōu)勢(shì)， 如長慶油田含水量高， 水性復(fù)雜， 腐蝕因素多， 含水越高， 管道腐蝕和結(jié)垢越嚴(yán)重， 氟聚合材料涂層的表面張力低， 具有優(yōu)異的非粘性和防污性， 在原油輸送中防結(jié)蠟結(jié)垢有積極作用， 側(cè)面反映氟聚合涂層適用于易結(jié)蠟結(jié)垢油田集輸管道環(huán)境。

3.6 耐彎曲試驗(yàn)

參照油管和套管內(nèi)涂層技術(shù)條件要求， 耐彎曲試驗(yàn)采用Elcometer 1510 型圓錐軸彎曲試驗(yàn)儀， 試板尺寸為150 mm×75 mm×0.8 mm， 涂層厚度為210 μm。 將試板繞圓錐彎曲試驗(yàn)儀彎曲180°， 觀察樣品涂層變化情況。

圖7 為耐彎曲試驗(yàn)后試板形貌， 從圖7 可以看出， 涂層外觀色澤均勻、 無剝落、 氣泡、片狀脫落、 開裂等現(xiàn)象， 表明氟聚合涂層抗彎曲性能良好。

圖7 耐彎曲試驗(yàn)后試板涂層形貌

3.7 耐高溫高壓試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用Cortest 型高溫高壓釜， 試板尺寸為175 mm×50 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度為230 μm。 先對(duì)涂層進(jìn)行檢漏， 確認(rèn)無漏點(diǎn)后放入高溫高壓釜， 50%浸沒在5%NaCl 溶液中，用94%N2和6%CO2混合氣體加壓至14 MPa， 升溫至80 ℃保持16 h。 試驗(yàn)完成后卸壓冷卻， 試板涂層形貌如圖8 所示。 由圖8 可以看出， 氟聚合涂層表面無變色、 無起泡、 脫落現(xiàn)象。 采用X型刻刀片撬剝涂層， 附著力表現(xiàn)為3A 級(jí)， 附著力良好， 表明氟聚合涂層在高溫高壓下具備良好的耐腐蝕性能。

圖8 耐高溫高壓試驗(yàn)后試板涂層形貌

3.8 附著力試驗(yàn)

該試驗(yàn)在帶內(nèi)涂層的鋼管上進(jìn)行， 用刀具沿直線穩(wěn)定地切割漆膜至鋼管基材， 切割?yuàn)A角為30°～45°， 交叉點(diǎn)在切割線的中間， 將壓敏膠帶中間處貼放于切割交叉點(diǎn)上， 從涂層漆膜表面撕開膠帶后， 觀察拉開后的涂層狀態(tài)， 涂層形貌如圖9 所示。 由圖9 可以看出， 刀痕兩邊有脫皮痕跡， 判斷氟聚合涂層附著力為4A 級(jí)， 滿足SY/T 6717—2016 油套管涂層附著力≥3A 級(jí)要求， 附著力試驗(yàn)合格。

圖9 附著力試驗(yàn)后試板涂層形貌

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2018 年， 新疆獨(dú)山子油田庫區(qū)某油站18 km Φ114.3 mm 集輸管道采用氟聚合彈性涂料內(nèi)涂層防護(hù)。 通過近三年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用， 內(nèi)涂層無脫附、剝離， 防腐蝕效果良好， 能夠適應(yīng)油站集輸腐蝕環(huán)境。 當(dāng)前， 集輸管道常用的內(nèi)防腐技術(shù)多采用雙金屬復(fù)合管、 玻璃鋼襯里以及陶瓷襯里復(fù)合管材。 復(fù)合集輸管道可以實(shí)現(xiàn)很好的防腐效果， 但是成本較高， 加工工藝也較為復(fù)雜。 為有效控制工程投資， 實(shí)現(xiàn)施工便捷， 越來越多的油田集輸管道工程都在逐步推廣應(yīng)用管道內(nèi)涂層防腐技術(shù)。 對(duì)比環(huán)氧酚醛樹脂、 環(huán)氧樹脂、 環(huán)氧粉末內(nèi)涂層防腐， 氟聚合涂層具有更可靠的耐腐蝕、耐熱性以及防固體物附著等優(yōu)良的性能， 為油田集輸管道內(nèi)涂層提供了參考和選擇。

5 結(jié) 論

（1） 氟聚合涂料組成包含有機(jī)硅、 氟橡膠、環(huán)氧樹脂及混合溶劑， 其獨(dú)特性能表現(xiàn)為不粘性、憎油憎水性、 耐化學(xué)腐蝕性、 耐熱性和耐候性等，具有應(yīng)用于油田集輸管道內(nèi)涂層技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

（2） 氟聚合內(nèi)涂層可采用常規(guī)高壓無氣噴涂工藝， 按照優(yōu)化的涂料組分配比， 通過調(diào)整噴涂車速、 控制噴涂壓力、 匹配噴涂量等工藝措施， 獲得外觀光潔均勻、 性能優(yōu)良、 厚度滿足指標(biāo)要求的管道內(nèi)防腐涂層。 鑒于氟聚合樹脂是彈性體， 噴涂過程霧化對(duì)涂料有嚴(yán)格的黏度要求， 成膜表干時(shí)間稍長， 因此組分配比必須精準(zhǔn)， 否則可能會(huì)造成針孔、 流掛、 表面不光潔等涂層外觀質(zhì)量缺陷。

（3） 結(jié)合油套管內(nèi)防腐涂層技術(shù)要求對(duì)氟聚合涂層進(jìn)行一系列的檢測(cè)試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明，氟聚合涂層具有優(yōu)良的耐磨性、 耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性、 耐鹽霧腐蝕、 耐原油及油田污水腐蝕、抗彎曲性及防結(jié)垢結(jié)蠟性能， 適用于油田集輸管道運(yùn)輸介質(zhì)要求。

（4） 氟聚合內(nèi)涂層管道在新疆獨(dú)山子油田庫區(qū)某油站正常使用了近3 年， 目前內(nèi)涂層狀況良好， 防腐蝕效果明顯。 與環(huán)氧樹脂、 環(huán)氧粉末、環(huán)氧酚醛樹脂等內(nèi)涂層相比， 氟聚合內(nèi)涂層具有更優(yōu)異的耐溫性、 防結(jié)蠟結(jié)垢和耐化學(xué)腐蝕性能。