三相分離器涂層失效分析

郭勝學,陳如江,張曼杰,施書定

(中海石油(中國)有限公司番禺作業公司，深圳 518067)

?

失效分析

三相分離器涂層失效分析

郭勝學,陳如江,張曼杰,施書定

(中海石油(中國)有限公司番禺作業公司，深圳 518067)

對某海上平臺三相分離器進行了現場調研，發現分離器內部的涂層發生了不同程度的失效，失效形式主要為5～30 mm的鼓泡。通過腐蝕模擬試驗，SEM和EDS對罐體涂層失效的原因進行了分析。結果表明:鋼材表面處理不合格、涂裝工藝控制不力導致涂層內針孔的存在,涂層的服役環境較為苛刻是導致涂層失效的主要原因。

三相分離器；涂層失效；鼓泡；失效分析

在海上石油平臺生產開采作業中，油水氣三相分離器是油田開發生產流程中極為重要的處理設備之一[1-3]。三相分離器運行過程中，油氣水含量會隨時間的推移而變化，同時罐體環境中存有CO2、H2S等腐蝕性氣體，這使得三相分離器在高溫帶壓情況下工作面臨著一定的腐蝕風險，從而對海上石油平臺的安全開產造成了危險[4-8]。

涂層保護是罐體內腐蝕控制的主要措施，是一種被廣泛使用的腐蝕控制方法。涂層是罐體腐蝕防護的第一道屏障，對罐體起到保護作用。理想的涂層是無缺陷的，對腐蝕性介質有阻擋與屏蔽的作用，從而實現對基體的保護。但實際應用的涂層，往往都具有微觀或宏觀的缺陷，這些缺陷的存在是導致涂層提前失效的重要原因[9-13]。本工作通過對某平臺三相分離器的現場調研，結合相關試驗結果，分析了該三相分離器內涂層的失效形式及失效原因。

1　三相分離器內涂層失效概況

1.1三相分離器基本信息

該分離器為臥式容器，其結構如圖1所示。該油水氣三相分離器投產2 a，其設計及運行參數如表1所示。

1.2內涂層失效情況

由圖2可見，三相分離器內不同部位涂層(水相區和氣相區)都出現程度不一的鼓泡現象，鼓泡主要分布在出口艙的人孔蓋內側及人孔孔壁、出口艙艙壁、入口艙頂部及中下部艙壁，且鼓泡尺寸從5～30 mm不等。

表1　三相分離器的設計及運行參數Tab. 1　Design and operation parameters of the three-phase separator

鼓泡情況以出口艙人孔蓋最為嚴重，平均尺寸20～30 mm，沿人孔蓋四周較為密集地分布，鼓泡面積約占整個人孔蓋面積的二分之一。罐體內部的鼓泡尺寸為5～10 mm。其中入口艙的中下部的鼓泡尺寸較大，為5～10 mm，鼓泡成群出現，較為密集。罐體內其余部位的鼓泡尺寸約5 mm，同樣鼓泡成群出現，分布密集。各部位鼓泡區域大小與罐壁面積之間的比例見表2。

表2　罐內鼓泡狀況統計表Tab. 2　Statistical table of the bubbling in the inside of three-phase separator

2　三相分離器內涂層失效原因分析

2.1施工工藝因素分析

2.1.1 表面處理

該三相分離器原設定的表面處理工藝為：機械打磨+噴砂處理。首先,用砂紙和砂輪等工具進行打磨，清除基體表面的氧化層，同時使基體金屬表面形成一定的粗糙度。然后，再利用噴砂機對基體金屬表面做進一步的粗化和凈化處理，使金屬表面清潔度達到Sa 2.5級。但是在實際的表面處理工作中，由于三相分離器結構及其他人為原因，造成三相分離器內部各區域存在清潔度不均的現象，有的區域表面處理工作完成得較好，而有的區域還有待進一步的改善。從圖3中可以看出，涂層內側存在平行的條狀痕跡，這說明對應的金屬基體表面存在明顯的機加工痕跡，無噴砂后的錨紋痕跡，噴涂前金屬表面處理不充分。

由圖4可知，在基體表面存在兩類腐蝕產物：一類顏色較淺，為明顯的晶體狀自由生長的腐蝕產物;另一類顏色偏灰，為非自由生長的腐蝕產物。對腐蝕產物進行能譜(EDS)分析發現，兩類腐蝕產物主要成分均為鐵的氧化物(Fe2O3)，同時可能含有少量NaCl鹽的夾雜和少量沙子存在，如圖5所示。圖中，粉紅色區域鐵、氧含量均較高，黃色圓圈標注部位為鈉、氯元素含量較高部位。根據以上結果可判斷，三相分離器涂覆前金屬表面清潔度處理存在問題，含NaCl、沙子等污染物，并存在未去除的銹層，使得涂層的附著力和壽命大幅下降。

2.1.2 涂裝工藝

該三相分離器采用ATO金屬陶瓷涂層，施工工藝為高壓無氣噴涂，成膜厚度設計值500 μm，該噴涂工藝有利于提高涂層的致密性，符合相關要求。根據現場取樣的涂層樣品，利用顯微分析方法，觀察涂層內外表面及截面的掃描電鏡(SEM)形貌，分析涂層現場涂裝工藝的合理性。

由圖6可見，在涂層的外表面存有尺寸不一的針孔，同時，在涂層的內表面同樣也存在尺寸大小不一的孔洞缺陷，且內表面孔隙率明顯高于外表面涂層孔隙率。針孔的存在，使得三相分離器內的腐蝕性介質得以通過針孔進入涂層與金屬的界面，從而引起涂層的鼓泡以及金屬的腐蝕。針孔與涂層的涂裝工藝相關。

由圖7可見，涂層橫截面在外側、中部、內側均有氣孔出現；涂層橫截面外側結構疏松。混合過程中攪拌器運作過快，使空氣滯留于涂料中，導致涂裝材料出現泡沫狀或多泡表面,最終引起氣孔缺陷。

由以上分析可知，該三相分離器內涂裝質量分布不均，部分涂層內側、中部及外側存在氣孔缺陷，且結構較為疏松，現場實際施工過程中，涂裝工藝控制不力可能是出現該問題的一個主要原因，質量控制工作有待進一步加強。

2.2環境介質因素分析

2.2.1 可溶性鹽的影響

圖8為三相分離器內涂層樣品外表面的SEM形貌及EDS能譜圖。由圖可以看出，在涂層的外表面有一定量的可溶鹽NaCl附著。可溶性鹽來自于罐內環境介質，可溶性鹽的存在，進一步增強了三相分離器內介質的腐蝕性。

2.2.2 環境溫度及CO2的影響

圖9為CO2環境下三相分離器所使用金屬陶瓷涂層在30 ℃和90 ℃高壓釜浸泡7 d后的附著力對比。從結果中可以看出，在CO2存在條件下，涂層附著力會顯著降低；提高溫度時，涂層附著力會進一步降低。這說明，涂層的服役環境溫度及環境中CO2的含量也是造成涂層起泡的原因。

3　結論

(1) 三相分離器內涂層失效鼓泡主要分布在出口艙的人孔蓋內側及人孔孔壁、出口艙艙壁、入口艙頂部及中下部艙壁三處區域。該三處區域與三相分離器內其他區域服役環境無明顯區別，發生涂層失效，主要可能是由于該三處區域表面處理和噴涂工藝控制工作不夠充分。

(2) 涂層的內側存在鐵的氧化物和少量NaCl，這表明涂層缺陷可能源于涂覆前對基體不恰當的表面處理，可通過改進表面處理工藝，提高表面清潔度標準，加強現場施工質量管理等措施，使三相分離器內壁整體清潔度達到標準要求。

(3) 涂層內外表面均有針孔存在，且內表面孔隙率明顯高于外表面涂層孔隙率，針孔的存在是導致涂層失效的因素之一，說明涂裝工藝控制也可能是涂層鼓泡的起因，可通過選擇合適的涂裝工藝、加強涂裝工藝控制管理等措施加以改進。

(4) 三相分離器服役環境苛刻，可溶性鹽、CO2、高溫也是影響涂層性能的重要因素。

[1]安錦,高聯益,陳曉能,等. 三相分離器現場試驗及應用評價[J]. 油氣井測試,2004，13(2)：71-74.

[2]高燕,嚴海軍. 三相分離器的應用與維護探討[J]. 中國石油和化工標準與質量,2012(15)：105-105.

[3]顏春者,呂成魁. 三相分離器的現場應用及維護[J]. 石油機械,2002(6)：45-46.

[4]王秀清,魏建紅,楊洪巖. 高效三相分離器腐蝕原因及防護對策[J]. 全面腐蝕控制,2006(5):34-36.

[5]凌永海. 淺談三相分離器的腐蝕及對策[J]. 石油化工腐蝕與防護，2011,28(1):40-42.

[6]孔磊,劉立紅,耿佳明. 三相分離器的腐蝕分析及防護建議[J]. 內江科技,2012(10):71-71.

[7]陳強. 克拉瑪依油田原油集輸站三相分離器檢測及其缺陷預防[J]. 中國石油和化工標準與質量,2011,31(3):55-58.

[8]唐廣榮. 某海上油田三相分離器的失效原因[J]. 腐蝕與防護,2015,36(4)：398-401.

[9]張興儒. 油田腐蝕狀況與腐蝕控制[J]. 腐蝕科學與防護技術,1989(2)：1-5.

[10]張志川,唐和清,鄭家燊. 油田腐蝕實例及腐蝕機理解析與控制技術[J]. 材料保護,2003，36(10)：39-41.

[11]郝蘭鎖,明云峰,徐應波,等. 海上油田腐蝕探析及防護[J]. 工業水處理,2012,32(6):74-76.

[12]吳濤,劉學敏,郝蘭鎖,等. 海上油田腐蝕失效原因分析[J]. 廣州化工,2014(12):74-76.

[13]王春生,余越泉. 油田埋地管道的防腐蝕涂層[J]. 涂料工業,2001,31(6):35-38.

Failure Analysis of Coatings on a Three-Phase Separator

GUO Sheng-xue, CHEN Ru-jiang, ZHANG Man-jie, SHI Shu-ding

(Panyu Operating Company, CNOOC China Co., Ltd., Shenzhen 518067, China)

According to field investigation of the three-phase separator for a platform, the inner coating of the separator suffered various degree of failure. The main failure form was bubbling, and the sizes of the bubbling was in the range from 5 mm to 30 mm. The reasons for coating failure were analyzed by means of simulated corrosion test, SEM and EDS. The results show that the ineligible surface treatment for steel, the existence of pinholes in the coating because of bad coating process and the harsh environmental condition for the coating were the main reasons for the coating failure.

three-phase separator; coating failure; bubbling; failure analysis

10.11973/fsyfh-201606018

2015-03-26

郭勝學(1972-),工程師,學士,從事石油工程及設備設施安全管理,13823548160,guo.shengxue@cnooc.com.cn

TQ174.45

B

1005-748X(2016)06-0517-05