改性環(huán)氧粉末涂層在酸性油氣田管道內(nèi)防腐的應(yīng)用探究

張楠革

摘 要：本文結(jié)合酸性油氣田管道內(nèi)腐蝕的特點(diǎn)以及腐蝕機(jī)理，對(duì)新型防腐涂層的設(shè)計(jì)理念與構(gòu)想進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)新型涂層抗高溫、高壓，耐強(qiáng)酸，耐二氧化碳、硫化氫、氯離子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探討，希望對(duì)改性環(huán)氧粉末涂層在酸性油氣田管道內(nèi)防腐應(yīng)用方面提供一定的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧粉末涂層；酸性油氣田；管道；內(nèi)防腐

現(xiàn)階段我國(guó)正在開(kāi)發(fā)的油氣田中，酸性油氣田占有非常高的比例。近幾年新開(kāi)發(fā)的大型氣田諸如羅家賽氣田、普光氣田、龍崗氣田等都屬于酸性氣田。如果酸性油氣田管道內(nèi)發(fā)生腐蝕，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。近年來(lái)隨著酸性油氣井開(kāi)發(fā)向深井以及超深井邁進(jìn)，生產(chǎn)工況的腐蝕條件也愈發(fā)惡劣。壓力與溫度不斷升高；管輸介質(zhì)中的二氧化碳、氯離子、硫化氫的比例都明顯上升；油氣井在開(kāi)采后期產(chǎn)水量升高。這些變化都加劇了油氣田腐蝕的嚴(yán)重程度。如何有效進(jìn)行酸性油氣田的防腐成為工作的重點(diǎn)。

1 酸性油氣田腐蝕的特性

目前，油氣田腐蝕中非常重要的部分有石油管、油水分離罐與油氣集輸管材的腐蝕，根據(jù)石油管材以及設(shè)備的腐蝕特點(diǎn)可以將其劃分為外腐蝕、內(nèi)腐蝕[1]。其中外腐蝕的原因是由于受到地下水、土壤、雜散電流等因素造成的，而內(nèi)腐蝕主要是由內(nèi)部介質(zhì)所導(dǎo)致。石油管材以及設(shè)備內(nèi)腐蝕具有以下特點(diǎn)，第一，在高壓或者高溫的環(huán)境，第二，水是其中的載體，在氯離子的催化下，將二氧化碳、硫化氫、氧氣作為腐蝕物質(zhì)，水、烴、固共存的多相流腐蝕介質(zhì)，第三，硫化物是高含硫氣田開(kāi)發(fā)中非常重要的腐蝕物質(zhì)。

酸性油氣田的腐蝕具有以下特性：

①腐蝕的機(jī)理非常復(fù)雜，大部分氣井的腐蝕都是受到二氧化碳、硫化氫、氯離子的影響導(dǎo)致的，另外還有少部分氣井受到細(xì)菌的腐蝕。

②腐蝕的類型具有多樣性的特點(diǎn)，不僅存在由于硫化氫引發(fā)的應(yīng)力腐蝕，還受到二氧化碳、氧氣以及氯離子的影響，發(fā)生化學(xué)腐蝕，除此之外，還有少部分氣井存在垢下腐蝕、細(xì)菌腐蝕的現(xiàn)象。

③酸性油氣田腐蝕的范圍非常廣泛，在各種腐蝕因素的影響下，非常容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

④酸性油氣田的腐蝕一般都具有非常嚴(yán)重的后果，會(huì)直接使集輸設(shè)備與井下油套管等發(fā)生穿孔、破損等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還可能威脅到人的生命安全，發(fā)生安全事故。

2 酸性油氣田腐蝕機(jī)理

2.1 二氧化碳腐蝕機(jī)理

二氧化碳本身并不具有腐蝕性，且與水、原油等非常易溶，當(dāng)二氧化碳與水相溶后生成的碳酸，與鐵會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)，這類腐蝕現(xiàn)象主要表現(xiàn)為坑蝕、點(diǎn)蝕、膿瘡狀臺(tái)地蝕等。對(duì)二氧化碳腐蝕有影響作用的因素包括溫度、水量、CO2分壓、PH值、鈣，鎂，氯等離子的濃度、硫化氫與氧氣的含量、介質(zhì)流速與微生物、材料的合金成分等。

二氧化碳在陰極和陽(yáng)極的腐蝕破壞行為也有不同的表現(xiàn)，在陰極處二氧化碳與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸，會(huì)生成氫離子。由于氫離子是強(qiáng)去極化劑，極易奪取電子還原，促進(jìn)陽(yáng)極鐵溶解而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，同時(shí)氫原子會(huì)進(jìn)入鋼中，使得金屬構(gòu)件開(kāi)裂。在陽(yáng)極處，由與鐵不斷溶解，造成了均勻腐蝕、局部腐蝕等問(wèn)題，一般表現(xiàn)為金屬設(shè)施壁厚變薄、點(diǎn)蝕穿孔等局部腐蝕破壞，局部腐蝕速度遠(yuǎn)大于均勻腐蝕，且會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。

2.2 硫化氫腐蝕機(jī)理

硫化氫對(duì)金屬材料的腐蝕破壞一般發(fā)生在水溶液中。硫化氫溶解于水中電離，會(huì)釋放出易在陰極奪取電子的氫離子，導(dǎo)致陽(yáng)極鐵溶解而發(fā)生腐蝕。陽(yáng)極反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物硫化鐵在鋼鐵表面的附著力不強(qiáng)，很容易脫落，另外由于硫化鐵的電位較高，作為陰極與鐵基體構(gòu)成活性微電池，還會(huì)繼續(xù)腐蝕鐵基體。

隨著高硫氣田的不斷開(kāi)發(fā)，高溫高壓高含二氧化碳與硫化氫腐蝕環(huán)境越來(lái)越多，地面天然氣處理廠以及地下材料服役的環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)峻。尤其是當(dāng)有硫元素時(shí)出現(xiàn)時(shí)，材料服役面臨許多新的陰極還原反應(yīng)，腐蝕現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。

3 新型聚合物耐溫高抗?jié)B透性涂層的設(shè)計(jì)構(gòu)想

新型聚合物耐溫高抗?jié)B透性涂層的分子結(jié)構(gòu)良好，有良好的耐高溫的特性，且不易發(fā)生腐蝕，可以有效的抑制二氧化碳、硫化氫與氯離子對(duì)金屬的侵蝕，另外，該涂層在水、油、酸性氣體等極其復(fù)雜的油田環(huán)境中更具有附著力。

為了確保防腐蝕的效果，重防腐材料應(yīng)該具備以下特性，第一，不易被穿透，能抵御各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的穿透，從而達(dá)到保護(hù)基材的作用，同時(shí)要控制好涂層的厚度能夠適應(yīng)各種情況的危害，第二，粘性一定要好，要在重腐蝕環(huán)境下緊貼被保護(hù)的基材，不發(fā)生脫落、起皮、開(kāi)裂等現(xiàn)象，對(duì)其起到相應(yīng)的保護(hù)作用，第三，涂層由于要承受多種機(jī)械應(yīng)力的作用，因此必須具備較長(zhǎng)使用壽命，為了滿足不同使用要求，還應(yīng)具備減阻、耐溫、節(jié)能等功能。

在涂層設(shè)計(jì)技術(shù)路線方面，首先是改進(jìn)固化劑結(jié)構(gòu)，用新型含多種官能團(tuán)的固化劑，提高涂層的高溫穩(wěn)定性和抗高溫剝離性能，其次，選擇多官能團(tuán)改性的樹(shù)脂代替現(xiàn)有樹(shù)脂，從而提高涂層濕態(tài)附著力與耐高溫滲透性，最后，涂層微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)控，采用互相穿插網(wǎng)絡(luò)狀的彈性結(jié)構(gòu)、有機(jī)或無(wú)機(jī)納米顆粒半剛性結(jié)構(gòu)，降低涂層因溫度交變而產(chǎn)生的內(nèi)聚力，提高涂層體系活性通道的堆積密度，進(jìn)一步提高涂層的粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B透性。

在技術(shù)實(shí)施方面要按照以下步驟進(jìn)行：第一，仔細(xì)篩選已研制、已開(kāi)發(fā)的重防腐蝕涂層系列，比較涂層的抗附著力、滲透性以及機(jī)械性能等指標(biāo)，挑選出在氯離子、二氧化碳、硫化氫含量高的環(huán)境中防護(hù)性能較好的基礎(chǔ)體系涂層。第二，采用合適的分析方法，不斷地改進(jìn)優(yōu)化高性能的涂層體系，開(kāi)發(fā)出新型系列涂層，并在實(shí)驗(yàn)室模擬三高環(huán)境進(jìn)行加速腐蝕研究實(shí)驗(yàn)。第三，研究適宜的涂裝工藝和涂裝設(shè)備，對(duì)涂層進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)和測(cè)試。

4 新型聚合物耐溫高抗?jié)B透性涂層分析

某新型環(huán)氧粉末涂層在20%鹽酸溶液、15MPA、80攝氏度條件下，放置20小時(shí)涂層表面完好，沒(méi)有氣泡、脫落的問(wèn)題。將其置于不同配比的酸溶液中，放置不同的時(shí)間段，并將其加熱至93攝氏度，放置一段時(shí)間后將樣板從酸溶液中取出，觀察其表面的變化情況，涂層表面完好，沒(méi)有出現(xiàn)氣泡、脫落的問(wèn)題。該新型聚合物耐溫高抗?jié)B透性粉末涂層體系構(gòu)成見(jiàn)下表。

這種新型涂層在二氧化碳、硫化氫、氯離子的腐蝕下，也具有很強(qiáng)的抵抗性。在總壓15MPa，溫度150攝氏度，二氧化碳、硫化氫、氯離子濃度超標(biāo)的情況下，該涂層外觀附著力都沒(méi)有變化，可見(jiàn)其具備在高酸性腐蝕條件下使用的潛力。

5 總結(jié)

綜上所述，針對(duì)現(xiàn)階段存在的由于高含二氧化碳、硫化氫、氯離子而導(dǎo)致的地面集輸管線與井下油管的腐蝕等問(wèn)題，研究出新型聚合物耐高溫抗?jié)B透性涂層，是酸性油氣田未來(lái)防腐可選手段之一。而將聚合物涂層粉末化，以確保涂層的穩(wěn)定與絕緣的特性，最大程度的提高其耐沖擊強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度以及粘連力，是未來(lái)防腐內(nèi)涂層發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔金海，劉德緒，高繼峰等.普光氣田集輸系統(tǒng)綜合防腐技術(shù)[J].油氣田地面工程，2014（3）：62-63.

[2]徐贛川，杜磊，米力田等.酸性油氣田管道環(huán)氧防腐涂料施工工藝[J].涂料工業(yè)，2009（5）：60-62，72.

[3]吳希革.改性環(huán)氧粉末涂層在酸性油氣田管道內(nèi)防腐的應(yīng)用[J].涂料技術(shù)與文摘，2014（12）：11-13.

[4]田淑嫻，段行知.酸性條件下國(guó)內(nèi)外用管情況及金屬防腐分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2011（1）：44-45，55.

[5]吳希革.改性環(huán)氧粉末涂層在酸性油氣田管道內(nèi)防腐的應(yīng)用探究[C].2014年中國(guó)粉末涂料與涂裝行業(yè)年會(huì)論文集.2014：1-6.

[6]鄧付國(guó)，龔興厚，羅鋒等.有機(jī)硅改性環(huán)氧樹(shù)脂防腐蝕涂層的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2017（4）：19-32.