一種鋼管內防腐用氟聚合彈性涂層性能評價及應用

蒲夢雅， 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任公司，陜西 寶雞721008； 3. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008）

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

1 氟聚合涂料特點

氟聚合涂料是一種以有機硅、 氟橡膠、 環氧樹脂以及混合溶劑構成的防腐涂料。 因其具有重防腐橡膠-硅橡膠互穿網絡的特殊結構（表層氟聚合物， 中間層硅橡膠， 底層環氧樹脂）， 表現出較強耐化學性、 阻隔性、 抗高溫性和極低摩擦系數[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） 兩種組分構成。 首先對噴涂鋼管內表面進行噴砂除銹處理， 除銹質量等級Sa2.5 級， 錨紋深度75～90 μm， 采用高壓無氣噴涂工藝， 試噴涂工藝參數見表1。

表1 SSS6 氟聚合涂料試噴涂工藝參數

當噴涂壓力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， 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、 噴涂壓力和車速對氟聚合涂層外觀質量有直接影響。 這是因為與環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苛； 另外組分配比需要精準， 涂層表干時間過長或過短都可能會造成針孔、 流掛、 橘皮等外觀質量缺陷。

圖1 SSS6 氟聚合涂料噴涂后的鋼管內涂層形貌

3 氟聚合涂層檢測及性能評價

3.1 耐磨性試驗

參照油管和套管內涂層技術條件[5]， 試驗設備采用LS 型涂層落砂耐磨試驗機， 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） 進行落砂耐磨試驗， 計算涂層耐磨值A， 耐磨性試驗結果見表2。

表2 氟聚合涂層耐磨性試驗結果

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=11.05 L/μm， 高于SY/T 6717—2016 《油套管內涂層技術條件》的要求 （耐磨值≥2.0 L/μm）。

圖2 為經過耐磨性試驗后的試板形貌， 由圖2 可以看出， 耐磨性試驗后試板磨損區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 耐磨性試驗后試板形貌

3.2 耐化學腐蝕性能試驗

耐化學腐蝕試驗試板尺寸為75 mm×150 mm×2 mm， 取3 組試板， 每組各2 個， 對試板兩面進行噴涂， 干膜厚度約為200 μm， 試驗溫度（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， 試驗時間為90 天， 試驗完成后將試板取出， 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， 三種耐化學腐蝕性能試驗后的涂層均無氣泡和涂層脫落現象， 5%NaOH 和3%NaCl 溶液對涂層表面基本無影響， 10%H2SO4溶液導致涂層有輕微顏色變化， 但涂層完好無損傷。 說明氟聚合內涂層耐一定條件的化學環境腐蝕， 滿足中性、 弱堿性及較低酸性介質輸送的防腐蝕要求。橡膠是一種化學穩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其有微弱影響，發生膨潤現象[6-7]。

圖3 不同溶液中試板化學腐蝕后形貌

3.3 耐熱性試驗

試驗設備采用CT-7017-NU 型熱老化試驗箱， 分別進行耐熱性、 冷熱交替、 耐水煮三種耐溫試驗。 耐熱性試驗試板尺寸為75 mm×150 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度為200 μm， 試驗溫度為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； 冷熱交替試驗試板尺寸為50 mm×150 mm×2 mm， 共2 件， 涂層厚度200 μm， 試驗溫度200 ℃， 16 h 后取出， 室溫下保持8 h， 循環此試驗操作共10 個周期， 試驗完成后取出試板并冷卻至室溫觀察涂層變化； 耐水煮試驗試板尺寸為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 ℃耐水煮試驗結果良好， 涂層均無明顯變色、 氣泡、脫落以及開裂現象。 說明在溫度不高于200 ℃的前提下， 氟聚合涂層具有優異的熱穩定性、 耐候性， 不易老化、 熔化。

圖4 不同耐熱試驗后試板涂層形貌

3.4 耐鹽霧試驗

試驗設備采用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。 將試板進行16 h 狀態調節后， 放入鹽霧箱內樣品架上， 在（35±2） ℃條件下保持連續噴霧500 h， 試驗完成后觀察涂層變化。 耐鹽霧試驗后試板涂層形貌如圖5 所示。

圖5 耐鹽霧試驗后試板涂層形貌

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]， 適用于苛刻腐蝕環境[10-12]。

3.5 耐原油、 耐油田污水試驗

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、 耐油田污水試驗后試板涂層形貌如圖6所示。

圖6 耐原油、耐油田污水試驗后試板涂層形貌

由圖6 可以看出， 耐原油試板涂層完好， 無鼓泡、 銹蝕和開裂現象， 無結蠟粘附現象； 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， 涂層耐原油和耐油田污水性能良好。 試驗結果表明， 該涂層應用于油田集輸管道內防腐具有明顯優勢， 如長慶油田含水量高， 水性復雜， 腐蝕因素多， 含水越高， 管道腐蝕和結垢越嚴重， 氟聚合材料涂層的表面張力低， 具有優異的非粘性和防污性， 在原油輸送中防結蠟結垢有積極作用， 側面反映氟聚合涂層適用于易結蠟結垢油田集輸管道環境。

3.6 耐彎曲試驗

參照油管和套管內涂層技術條件要求， 耐彎曲試驗采用Elcometer 1510 型圓錐軸彎曲試驗儀， 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儀彎曲180°， 觀察樣品涂層變化情況。

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

圖7 耐彎曲試驗后試板涂層形貌

3.7 耐高溫高壓試驗

試驗設備采用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。 先對涂層進行檢漏， 確認無漏點后放入高溫高壓釜， 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、 脫落現象。 采用X型刻刀片撬剝涂層， 附著力表現為3A 級， 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 耐高溫高壓試驗后試板涂層形貌

3.8 附著力試驗

該試驗在帶內涂層的鋼管上進行， 用刀具沿直線穩定地切割漆膜至鋼管基材， 切割夾角為30°～45°， 交叉點在切割線的中間， 將壓敏膠帶中間處貼放于切割交叉點上， 從涂層漆膜表面撕開膠帶后， 觀察拉開后的涂層狀態， 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， 滿足SY/T 6717—2016 油套管涂層附著力≥3A 級要求， 附著力試驗合格。

圖9 附著力試驗后試板涂層形貌

4 現場應用情況

2018 年， 新疆獨山子油田庫區某油站18 km Φ114.3 mm 集輸管道采用氟聚合彈性涂料內涂層防護。 通過近三年的現場應用， 內涂層無脫附、剝離， 防腐蝕效果良好， 能夠適應油站集輸腐蝕環境。 當前， 集輸管道常用的內防腐技術多采用雙金屬復合管、 玻璃鋼襯里以及陶瓷襯里復合管材。 復合集輸管道可以實現很好的防腐效果， 但是成本較高， 加工工藝也較為復雜。 為有效控制工程投資， 實現施工便捷， 越來越多的油田集輸管道工程都在逐步推廣應用管道內涂層防腐技術。 對比環氧酚醛樹脂、 環氧樹脂、 環氧粉末內涂層防腐， 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良的性能， 為油田集輸管道內涂層提供了參考和選擇。

5 結 論

（1） 氟聚合涂料組成包含有機硅、 氟橡膠、環氧樹脂及混合溶劑， 其獨特性能表現為不粘性、憎油憎水性、 耐化學腐蝕性、 耐熱性和耐候性等，具有應用于油田集輸管道內涂層技術的理論基礎。

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

（3） 結合油套管內防腐涂層技術要求對氟聚合涂層進行一系列的檢測試驗， 試驗結果表明，氟聚合涂層具有優良的耐磨性、 耐化學腐蝕性、耐熱性、 耐鹽霧腐蝕、 耐原油及油田污水腐蝕、抗彎曲性及防結垢結蠟性能， 適用于油田集輸管道運輸介質要求。

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