油氣田滲鍍涂層防腐蝕技術(shù)及展望

盛長(zhǎng)松,劉希武,苗 普

(中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司,河南洛陽(yáng) 471003)

油氣田滲鍍涂層防腐蝕技術(shù)及展望

盛長(zhǎng)松,劉希武,苗 普

(中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司,河南洛陽(yáng) 471003)

介紹了鎳磷鍍層、滲氮層的性能和在油氣田應(yīng)用的情況,并針對(duì)鎳磷鍍層孔隙率高、鍍層厚度不均等缺陷以及滲氮層易于剝落和產(chǎn)生微裂紋等問題提出了建議;對(duì)國(guó)外涂鍍技術(shù)和國(guó)內(nèi)石化行業(yè)應(yīng)用滲鍍材料的性能及成功應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹;金屬陶瓷涂層具有合理的顯微結(jié)構(gòu)、表面硬度較高、抗斷裂性強(qiáng)、耐腐蝕和沖蝕性能優(yōu)異;鋁鈦共滲鋼具有良好的抗?jié)窳蚧瘹涓g、抗氫致開裂 (H IC)及硫化物應(yīng)力腐蝕開裂 (SSCC)的能力,其構(gòu)件在濕硫化氫腐蝕環(huán)境的工業(yè)應(yīng)用效果良好,并對(duì)滲鍍涂層技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)有效的防腐蝕措施將在油氣田上得到推廣應(yīng)用進(jìn)行了展望。

油氣田 滲鍍涂層 防腐蝕 建議 展望

隨著國(guó)內(nèi)石油天然氣工業(yè)的發(fā)展,含 H2S,CO2,Cl-及 H2O等多種腐蝕介質(zhì)的油氣田相繼出現(xiàn),腐蝕問題越來越嚴(yán)重,從而引起人們的關(guān)注。油氣田的腐蝕嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全,造成能源浪費(fèi)及環(huán)境污染,制約了油氣田的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此,針對(duì)油氣田的腐蝕狀況,研究開發(fā)具有高性價(jià)比的實(shí)用型防腐蝕技術(shù)——滲鍍涂層技術(shù)十分必要。

1 油氣田應(yīng)用滲鍍涂層的技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)鎳磷鍍技術(shù)

鎳磷化學(xué)鍍技術(shù)是金屬表面防護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù)的手段,化學(xué)鍍鎳磷合金是一種在不加電流情況下,利用還原劑在活化材料表面上自催化還原得到非晶態(tài)鎳磷合金鍍層的方法。非晶態(tài)鎳磷合金呈現(xiàn)為金屬的玻璃態(tài),是一種均一的單相體系,不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷以及化學(xué)成分的偏析,因此它具有優(yōu)良耐蝕和耐磨性能。

1.1.1 鎳磷合金鍍層的性能

(1)耐蝕性能:在含氯的鹽溶液中,磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%的鎳磷合金鍍層的腐蝕速率明顯低于18-8不銹鋼。在一些含氯化氫、鹽酸等化工原料中,鎳磷合金鍍層的耐蝕性能與 Ni-200相當(dāng),遠(yuǎn)優(yōu)于普通碳鋼[1]。鎳磷合金鍍層在含 Cl-環(huán)境下不僅耐均勻腐蝕和局部腐蝕,而且還能為不銹鋼基體提供陰極保護(hù)。鎳磷合金鍍層對(duì) 304鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響見圖 1[2]。鍍覆鎳磷后,冷拉 304鋼的門坎應(yīng)力由 300 MPa提高到 540 MPa。不同溫度壓力條件下在 CO2水溶液中進(jìn)行 120 h失重試驗(yàn)結(jié)果表明,鎳磷鍍層試樣的腐蝕速率均小于0.003 mm/a。

(2)耐磨性能:通常鎳磷合金鍍層顯微硬度為 500～600 HV,經(jīng)過 400℃處理后,硬度可達(dá)到的最大值約 900 HV以上,超過 400℃則晶粒粗大使得硬度下降。由于鎳磷合金鍍層顯微硬度較高,所以在一定摩擦條件下表現(xiàn)出良好的抗磨損能力。CO2的濃度對(duì) G105鋼及鎳磷合金鍍層腐蝕磨損速率的影響見圖 2[3]。由圖 2看出,鎳磷合金鍍層的腐蝕磨損速率較小。

注:鎳磷合金鍍層的基材為 G105低合金鋼;鍍層厚度大于 50μm;鍍層中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.5%,呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu);表面硬度為 560 HV;對(duì)比材料的試樣取自進(jìn)口 G105鋼石油鉆桿管壁;腐蝕介質(zhì)為 CO2飽和水溶液。

1.1.2 鎳磷合金鍍層的試驗(yàn)和應(yīng)用情況

鎳磷鍍技術(shù)在中東、美國(guó)和德國(guó)石油與天然氣工業(yè)的管道、閥體和泵站的防蝕保護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了明顯效果。國(guó)內(nèi)在上世紀(jì) 80年代末開始在油田行業(yè)開發(fā)應(yīng)用該技術(shù),在不斷實(shí)踐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大面積整體化鎳磷鍍技術(shù)的突破,降低了成本,提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。該工藝技術(shù)已在中國(guó)石油大慶石化分公司、中國(guó)石油化工股份有限公司江漢油田分公司、中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司 (以下簡(jiǎn)稱勝利油田分公司)、中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司得到推廣應(yīng)用,取得了一定的防腐蝕效果。

1994年以來,勝利油田分公司鎳磷合金鍍層油管的年使用量逐步增加。到目前為止,初期投用的鎳磷合金鍍層油管總數(shù)還不多,但從投用管的情況來看,管柱本體腐蝕均較輕[4]。如 1997年 8月河口采油廠對(duì) 1995年 3月渤南義 4-6-11井下的鎳磷合金鍍層油管進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)該井管柱完好,基本沒有腐蝕。此外,采用的鎳磷合金鍍層的井下工具的防腐蝕性能也大幅度提高。如勝利采油廠勝一區(qū)塊對(duì)工具進(jìn)行鎳磷鍍處理后,3～4 a工具本體腐蝕均不嚴(yán)重。某管道防腐蝕工程項(xiàng)目的部分試驗(yàn)結(jié)果表明,在試樣鎳磷合金鍍層完好時(shí),腐蝕速率為 5μm/a,但有些試樣由于存在孔隙,鍍層發(fā)生了點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

1.1.3 鎳磷合金鍍層存在的問題及建議

在實(shí)施鍍鎳磷合金過程中,由于鍍液不穩(wěn)定、預(yù)處理效果不理想等因素都容易造成鍍層質(zhì)量波動(dòng),導(dǎo)致鍍層孔隙率升高,另外受到管道規(guī)格、形狀、長(zhǎng)度等限制,也易出現(xiàn)鍍層厚度不均等缺陷。因此影響了鎳磷合金鍍層的推廣應(yīng)用。在油氣田鎳磷合金鍍層油管的主要腐蝕部位和涂料管一樣集中在絲扣、節(jié)箍和液壓鉗的夾持處。鎳磷合金鍍層是陰極性涂層,只有在鍍層完好的情況下,才能起到保護(hù)金屬材料的作用。因此要嚴(yán)格控制鎳磷合金鍍層工藝,采用鎳磷合金鍍層油管時(shí),不但要保證絲扣、節(jié)箍部位鍍層的均勻性、將無孔隙降為最低,還要在作業(yè)施工中避免夾持部位鍍層的破損及表面硬傷。另外,在油田地面管道系統(tǒng)使用鎳磷合金鍍層時(shí),應(yīng)首先解決好鎳磷合金鍍層管道的焊接內(nèi)補(bǔ)口問題。

1.2 國(guó)內(nèi)外涂鍍新技術(shù)的研究情況

1.2.1 國(guó)外情況

針對(duì)油氣井的深度不斷加大,對(duì)各類抗蝕材料性能的要求也越來越苛刻,為此日本國(guó)家石油公司和日本金屬研究與開發(fā)中心開發(fā)研制了油管和接箍的一種新型材料。其方法是在低成本鐵基材料上鍍涂層 (如陶瓷、抗蝕合金以及高分子聚合物);采用高新技術(shù)如化學(xué)蒸鍍法、物理蒸鍍法以及等離子噴涂法。研究?jī)?nèi)容還涉及油管連接的密封技術(shù)(如室內(nèi)試驗(yàn)材料為 4 mm厚的 J IS鋼及 SS41鋼,分別鍍?nèi)?Cu和 Ni后涂敷 400μm的環(huán)氧樹脂)。試驗(yàn)結(jié)果表明,試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%NaCl溶液和 H2S飽和水溶液中保持 25 d,未見任何腐蝕現(xiàn)象[5]。因此采用該方法,可保證化學(xué)鍍層的質(zhì)量和使用效果。

1.2.2 國(guó)內(nèi)情況

三層復(fù)合涂鍍技術(shù)解決了鎳磷合金鍍層孔隙的致命弱點(diǎn),不但降低了鎳磷合金鍍層的生產(chǎn)成本,也大幅度地提高了其使用的可靠性[6],部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1。三層復(fù)合涂鍍技術(shù)就是在碳鋼表面制成高耐蝕的鎳基合金底層;然后通過一種特殊的化學(xué)處理方法使底層合金長(zhǎng)出致密且纖細(xì)的金屬絨毛形成復(fù)合的第 2層;最后再將具有某種特殊表面功能的有機(jī)聚合物產(chǎn)品浸涂于第 2層上,形成能夠封閉底層孔隙,同時(shí)又具有某種表面功能的第 3層。煉油廠試驗(yàn)應(yīng)用表明,該技術(shù)在防腐蝕、防垢和節(jié)能等方面的性能優(yōu)良,將在今后的油氣田油管井下提升機(jī)具及地面管道得到應(yīng)用。

表 1 兩種鍍層的耐蝕性能比較Table 1 Comparison of Corrosion Resistance Perfor mances of Two Galvanized Coatings

1.3 滲氮技術(shù)

滲氮又稱氮化,是指一種以氮原子滲入鋼件表面,形成一層以氮化物為主的滲層的化學(xué)熱處理方法。滲氮有 3個(gè)基本過程:活性氮原子的產(chǎn)生、表面的吸收和氮原子的擴(kuò)散。其中真空滲氮技術(shù)具有加熱時(shí)工件表面清潔、無氧化和有利于環(huán)保等特點(diǎn)。它與普通的氣體滲氮工藝相比,其表面改性更顯著,基本上消除滲層中的脈狀晶組織,均勻的滲層具有更高的硬度且其分布理想。

1.3.1 滲氮層的性能

滲氮技術(shù)一般用于機(jī)械零件的硬化、耐磨和防腐蝕[7]。由于真空滲氮最表層為比較致密的ε相層,ε相使鋼件表面的電極電位顯著升高,降低了腐蝕電池的電位差,使腐蝕電流密度減小,從而提高了工件在腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性能。

1.3.2 滲氮鋼的現(xiàn)場(chǎng)掛片及應(yīng)用情況

因?yàn)槌Ｒ?guī)氣體滲氮工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)、滲層均勻故控制難度大、加工成本高。在油套管防腐蝕方面,僅在 20世紀(jì) 80年代美國(guó)油田有應(yīng)用。

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田采用并評(píng)價(jià)了真空滲氮鋼管。在三口井進(jìn)行的掛片試驗(yàn)結(jié)果表明,J55鋼的平均腐蝕速率約是真空滲氮鋼的 3.2～8.6倍。J55裸鋼的最大孔蝕率達(dá)到 4.75 mm/a。某批油管外徑為 φ73 mm、壁厚為 5.51 mm、鋼級(jí)為 N80。經(jīng)過滲氮處理后,在新疆塔里木油田某采油廠下井使用,不到 1個(gè)月就發(fā)生斷裂事故。對(duì)油管進(jìn)行斷口分析、金相檢驗(yàn)和材料力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果表明,是滲氮層脆性較大而且正火組織本身韌性較低,使油管發(fā)生斷裂[8]。

1.3.3 存在的問題及建議

滲氮層易于起泡、剝落和產(chǎn)生微裂紋。滲氮套管在大的井眼曲率下特別容易產(chǎn)生裂紋。因此要在適宜的井深和彎曲度的井況中選擇使用。滲碳層具有很高的耐磨性,但還要對(duì)滲氮套管防腐蝕性能、強(qiáng)度和密閉性等性能進(jìn)行綜合考慮并進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究后,才能應(yīng)用。油管滲氮層較脆,在搬運(yùn)過程或井下容易被磕碰脫落,建議選用調(diào)質(zhì)處理油管進(jìn)行滲氮并改善工藝,以降低滲氮層脆性。

2 國(guó)內(nèi)滲鍍技術(shù)研究應(yīng)用情況

2.1 金屬陶瓷涂層

金屬陶瓷是一種在金屬黏結(jié)劑中摻入陶瓷成分的復(fù)合材料。涂敷在鋼鐵表面的金屬陶瓷組合物,在熱處理過程中具有優(yōu)良黏附性的低熔點(diǎn)金屬粉末熔化,而熔點(diǎn)高的陶瓷粉末仍處于固體狀態(tài),并保持高硬度。熔敷涂層很緊密地結(jié)合在鋼鐵基體上,形成金屬陶瓷涂層。

2.1.1 金屬陶瓷涂層的性能

多數(shù)金屬材料具有良好的韌性但硬度和耐磨性能不如陶瓷材料,而陶瓷材料脆性較大難以加工,限制了其作為耐沖蝕、磨損材料的應(yīng)用。金屬陶瓷涂層技術(shù)在提高構(gòu)件使用性能方面起著重要的作用,它既保持了陶瓷的高硬度、耐沖刷、耐高溫、抗氧化和優(yōu)異的耐酸、硫和堿腐蝕性能,又具有較好的金屬韌性和可塑性。

2.1.2 金屬陶瓷的試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用

近年來,國(guó)內(nèi)發(fā)明了多種金屬陶瓷涂層的加工方法,但在工藝設(shè)備和工藝過程的簡(jiǎn)化、涂層質(zhì)量、能耗和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等方面還存在一定的問題。中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司 (以下簡(jiǎn)稱洛陽(yáng)石化公司)開發(fā)了金屬陶瓷涂層技術(shù)。金屬陶瓷涂層試樣在試驗(yàn)室的沖刷腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明,金屬陶瓷涂層具有較強(qiáng)抗金剛砂粒子切入及犁削沖蝕的能力。碳鋼、18-8鋼和Inconel600合金鋼的失重分別為金屬陶瓷涂層材料的 20,5和 2倍。

在碳鋼表面制備的金屬陶瓷涂層大彎管和調(diào)節(jié)閥在福建煉油化工有限公司進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn),工況條件見表 3。通過 3 a的工業(yè)試驗(yàn),金屬陶瓷涂層表面沒有任何腐蝕和沖蝕痕跡,顯示出優(yōu)良的綜合耐蝕性能。

表 2 沖刷腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of Impingement Corrosion Tests

表 3 試驗(yàn)工況條件Table 3 Test Conditions

2.2 鋁鈦共滲技術(shù)

同時(shí)或順序滲入鋁、鈦元素的擴(kuò)散過程稱為鋁鈦二元共滲。表面具有鋁鈦鐵合金層的鋼叫鋁鈦共滲鋼。共滲鋼不但能充分發(fā)揮單一元素的各自優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)其缺點(diǎn),而且還可以賦予金屬材料表面以新的更好的性能[9]。在鋁鈦共滲層中含有耐蝕性能優(yōu)異的鈦元素,但不會(huì)顯著提高鋁鈦共滲鋼成本,具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

鋁鈦共滲層的性能:粉末包滲鋁鈦共滲鋼,由于滲入兩種不同金屬,在鋼鐵表面獲得了不同的組織和性能,使鋼鐵表面具有更優(yōu)良的耐高溫氧化、耐磨損和耐腐蝕等性能。試驗(yàn)研究證明,鋁鈦共滲鋼具有良好的抗?jié)窳蚧瘹涞母g性能和優(yōu)異的抗H I C和 SSCC的能力。

滲鈦鋼的現(xiàn)場(chǎng)掛片和應(yīng)用情況:洛陽(yáng)石化公司開發(fā)的鋁鈦共滲鋼,在加工進(jìn)口高硫原油的揚(yáng)子石化公司的低溫硫化氫腐蝕部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn),見圖 3。2002年揚(yáng)子石化公司采用鋁鈦共滲鋼冷卻器、管道和葉輪等進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),部分工況條件見表4,5。應(yīng)用表明:鋁鈦共滲鋼冷卻器和管道表面滲層沒有明顯的腐蝕痕跡。在焊接接頭處無開裂、腐蝕和泄露現(xiàn)象的發(fā)生。在含油污水泵、酸性水泵投用的鋁鈦共滲鋼葉輪,一直在安全運(yùn)行中。

注:1-減壓塔頂;2-常壓塔頂;3-焦化胺液再生器頂;4-催化裂化解吸塔;5-催化裂化液化氣脫硫塔;6-二加氫反應(yīng)分離系統(tǒng)V03罐

表 4 應(yīng)用鋁鈦共滲鋼冷卻器的工況條件Table 4 Operating Conditions ofAl-TiDiffused Steel Coolers

表 5 應(yīng)用鋁鈦共滲鋼管道的工況條件Table 5 Operating Conditions ofAl-TiDiffused Steel Pipelines

3 建議與展望

目前在油氣田應(yīng)用的鎳磷鍍技術(shù)和滲氮技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。因此應(yīng)借鑒學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外的涂鍍新技術(shù),使在油田應(yīng)用的滲鍍技術(shù)不斷地完善和改進(jìn),以此來解決滲鍍涂層漏鍍、孔隙、裂紋和脫落等使構(gòu)件出現(xiàn)早期失效的問題,使其得到更廣泛的應(yīng)用。

金屬陶瓷、鋁鈦共滲技術(shù)在油氣田防腐蝕方面很少或還沒有研究應(yīng)用,可能許多人對(duì)它還存在一些疑慮。為保證油氣田安全高效地生產(chǎn),有關(guān)技術(shù)人員可根據(jù)國(guó)內(nèi)油氣田的腐蝕現(xiàn)狀,學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)石化行業(yè)應(yīng)用滲鍍材料的成功經(jīng)驗(yàn),選擇防腐蝕效果好、保護(hù)時(shí)效長(zhǎng)、性價(jià)比高,適應(yīng)性強(qiáng)的滲鍍金屬涂層技術(shù)。油氣田的管材、構(gòu)件,在許多工況條件下都存在的腐蝕、磨蝕和沖蝕問題。若采用單一的材料來滿足既有高的強(qiáng)度、韌性,又有良好的耐蝕、耐磨性能的要求是難以達(dá)到的。探討研究具有較強(qiáng)的耐腐蝕、抗沖蝕磨損能力的金屬陶瓷涂層技術(shù),選擇在普通鋼材上制備金屬陶瓷涂層應(yīng)用于油氣田的油管、管道、構(gòu)件不失為一種較經(jīng)濟(jì)可行的防腐蝕措施。

在石化行業(yè)的應(yīng)用證明,鋁鈦共滲鋼具有優(yōu)良的耐低溫 H2S和 CO2的腐蝕性能。因此,有關(guān)技術(shù)人員可以在復(fù)雜介質(zhì)包括熱采井中服役方面進(jìn)行大量的研究和現(xiàn)場(chǎng)掛片的工作,進(jìn)一步研究和探討它在油氣田使用性能和價(jià)值,使其在不久的將來在油氣田得到應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)最大的海相氣田—普光氣田的天然氣中H2S和 CO2含量很高,其腐蝕環(huán)境十分惡劣。對(duì)普光氣田主體開發(fā)推薦采用高鎳基合金鋼防腐蝕方案,高鎳基合金鋼安全系數(shù)高、防腐蝕效果好和使用壽命長(zhǎng),但一次性投資巨大。鉻、鎳在國(guó)內(nèi)尚不是富產(chǎn)的金屬,大部分高合金鋼和不銹鋼還需進(jìn)口,其價(jià)格也相當(dāng)昂貴。如將滲鍍涂層材料作為部分代用材料,對(duì)油氣田挖潛爭(zhēng)效,增收節(jié)支具有重要的意義。

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Corrosion Protection Technology of D iffused Coatings and Prospect

Sheng Changsong,L iu Xiwu,M iao Pu
(Luoyang Petrochem ical Engineering Corporation,Luoyang,Henan471003)

The performance of Ni-P diffused coating and nitrogen diffused coating and their application oil&gas fields are introduced.The defects of higher porosity and un-uniform thickness of Ni-P diffused coating,easy spalling of nitrogen diffused coating and micro cracking etc are analyzed and corresponding counter measures arerecommended. The overseas coating technologies,the performances of diffused coatings used in China petrochemical industry and their successful application are described.Metal ceramic coatingwhich has good micro-structure,higher surface hardness and higher toughness against fractures have excellent corrosion resistance and erosion resistance performance.Al-Ti diffused coating offers a good antiwet H2S corrosion perfor mance and excellent performance against hydrogen induced cracking(H IC)and sulfide stress corrosion cracking(SSCC),which have been proven in commercial application. The diffused coating technology provides an effective economic corrosion prevention measure for the operation of oil and gas fields.

oil&gas field,diffused coating,anti-corrosion,recommendation,prospect

TG156.8

A

1007-015X(2011)06-0004-05

2011-04- 26;修改稿收到日期:2011-07-06。

盛長(zhǎng)松,高級(jí)工程師,畢業(yè)于撫順石油學(xué)院煉油化工機(jī)械專業(yè),一直從事石油化工設(shè)備防腐蝕的研究和開發(fā)工作。E-mail:Shengchs@sina.com.cn

(編輯 寇岱清 )