酸性氣田管道防腐內(nèi)涂層性能檢測評價

張楠革 吳貴陽 何同均 高韻涵

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦 3.西交利物浦大學(xué)

內(nèi)涂層管線最早用于天然氣輸送管道，目的是減小摩阻，增大輸量，降低管道的運行費用，并兼顧一定的防腐作用[1-4]。目前，重防腐內(nèi)涂層主要用于油氣田含腐蝕性介質(zhì)的井下油管、地面集輸管道和注水管道上[5-6]。典型案例包括中國石化勝利油田東辛采油廠在油水輸送管線上采用環(huán)氧內(nèi)涂層進(jìn)行了為期1年的中試應(yīng)用[7]，中國石化西北油田分公司采油一廠某油水混輸管線采用風(fēng)送擠涂防腐涂料進(jìn)行內(nèi)涂防腐保護(hù)，中國石油西南油氣田蜀南氣礦某污水管線運用環(huán)氧酚醛內(nèi)涂層進(jìn)行管材的內(nèi)涂敷等。在以上重防腐內(nèi)涂技術(shù)的應(yīng)用案例中，管輸介質(zhì)均含高Cl-高礦化度鹵水，且投產(chǎn)之后管道運行正常?？梢?，內(nèi)涂防腐技術(shù)在高Cl-的油水混輸腐蝕環(huán)境中具有一定的適應(yīng)性。

川渝氣田是我國開發(fā)最早的天然氣氣田，氣田絕大部分生產(chǎn)井為酸性氣井，H2S和CO2共存條件下的強(qiáng)腐蝕性加之Cl-、水、元素硫、溫度、壓力及流速等因素影響，使腐蝕環(huán)境非常復(fù)雜[8-9]。川渝氣田地面集輸管線普遍采用抗硫碳鋼材質(zhì)，對于管線的內(nèi)防腐主要采用添加緩蝕劑的方法。然而，對于存在內(nèi)腐蝕風(fēng)險隱患，又沒有條件實施緩蝕劑防腐的地面集輸管道，采用管道內(nèi)涂防腐涂層來提高管線的服役壽命是一個潛在的選擇[10-11]。較之于藥劑防腐，管道內(nèi)涂防腐有一定的優(yōu)勢，如備選技術(shù)方案多樣、后期維護(hù)費用低等特點。但管道內(nèi)涂技術(shù)也存在相應(yīng)的局限性，其施工工藝較之添加藥劑防腐要求更高，且在酸性氣田含硫工況條件下的適應(yīng)性情況尚不明確。目前，內(nèi)涂防腐技術(shù)在川渝酸性氣田應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的施工驗收標(biāo)準(zhǔn)和防腐效果評價方法有待建立。為了研究酸性氣田在役集輸管線內(nèi)涂層的適應(yīng)性，對川渝氣田蜀南氣礦某在役防腐內(nèi)涂層進(jìn)行了實驗室評價，為內(nèi)涂防腐技術(shù)在酸性氣田的后續(xù)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 應(yīng)用現(xiàn)場概況

井18井是蜀南氣礦瀘州作業(yè)區(qū)的主力生產(chǎn)井，采用氣舉生產(chǎn)。井18井站場內(nèi)不設(shè)置分離器，井18井～井4井集氣管線采用氣液混輸模式進(jìn)行原料氣輸送：輸氣量約4.0×104m3/d、輸水量約110～150 m3/d、管輸壓力4.6 MPa；管輸原料氣ρ(H2S)202 mg/m3、ρ(CO2)4.9 g/m3；地層水為CaCl2水型，ρ(Cl-)26 176 mg/L。該管線投產(chǎn)后內(nèi)腐蝕穿孔現(xiàn)象頻發(fā)，從2006年12月～2015年8月，先后進(jìn)行3次整管段材質(zhì)更換，但管線腐蝕穿孔失效依然頻繁，且都表現(xiàn)為管線6點鐘方向內(nèi)腐蝕穿孔?？梢?井18井～井4井集氣管線單純依靠L245NB、20G等常規(guī)碳鋼管材無法有效抑制介質(zhì)的腐蝕。

針對以上問題，2015年8月，對井18井～井4井管線腐蝕隱患進(jìn)行整改，重新鋪設(shè)井18井～井4井采氣管線(D114.3 mm×6.3 mm L245NB無縫鋼管)共計1.88 km，該管線外防腐采用三層PE加強(qiáng)級防腐，內(nèi)防腐采用環(huán)氧酚醛涂料進(jìn)行內(nèi)涂層防腐。從投運至今，尚未出現(xiàn)管道內(nèi)腐蝕失效。為探究防腐涂層服役后的各項性能指標(biāo)，對已投用的內(nèi)涂層開展進(jìn)一步實驗分析。

2 實驗分析與討論

2.1 現(xiàn)場取樣

對井18井～井4井內(nèi)涂層管線進(jìn)行取樣對比分析。該管線2016年12月因?qū)嶒炐枰M(jìn)行停產(chǎn)取樣。在井18井出站端、井4井進(jìn)站端分別取內(nèi)涂層直管段、彎頭、滑套各一組，同時將2016年12月由涂層廠家出廠的新產(chǎn)品進(jìn)行取樣。為了便于分析研究，對各樣品進(jìn)行編號處理(見表1)。通過新舊樣品對比實驗分析，考察環(huán)氧酚醛內(nèi)涂層在酸性氣田管道服役前后主要性能(外觀、厚度、硬度、耐沖擊、附著力、耐磨性)變化情況。

表1 實驗樣品Table 1 Experimental sample details樣品名稱井18井取樣井4井取樣新品直管彎頭滑套直管彎頭滑套直管彎頭滑套備注編號1#2#3#4#5#6#7#8#9#涂料類型液體粉末粉末液體粉末粉末液體粉末粉末液體用于長直管線,粉末用于小件異形件

2.2 涂層表面形貌分析

使用放大鏡，運用目視法對井18井樣品、井4井樣品、新品進(jìn)行表面觀察，其局部照片如圖1～圖3所示。通過表面觀察可以發(fā)現(xiàn)，新舊樣品表面基本光平，未發(fā)現(xiàn)大面積脫落情況，未出現(xiàn)諸如裂紋、針孔、起泡、變軟、流掛等局部缺陷。出廠新品內(nèi)涂層色彩鮮亮，現(xiàn)場取樣樣品色彩相對暗淡。

2.3 涂層厚度測試

依據(jù)GB/T 4956-2003《磁性基體上非磁性覆蓋層厚度測量 磁性法》為參照標(biāo)準(zhǔn)，采用五點平均值測量法，用MC-3000A/C/D涂層測厚儀對所有樣品涂層厚度進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。由表2可知：井18井～井4井管線取出的1#～6#樣品中只有4#樣品(井4井進(jìn)站端直管段涂層)達(dá)到SY/T 0422-2010《油氣田集輸管道施工技術(shù)規(guī)范》及SY/T 0457-2010《鋼制管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的普通級厚度，其余5個樣品的厚度指標(biāo)均不達(dá)標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液體涂料涂層普通級厚度≥200 μm、加強(qiáng)級厚度≥300 μm、特加強(qiáng)級厚度≥450 μm；粉末涂料涂層普通級厚度≥300 μm、加強(qiáng)級厚度≥500 μm)。新出廠的7#～9#樣品厚度測試顯示，滑套的涂層厚度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而新品直管與彎頭的涂層厚度分別達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的特加強(qiáng)級和普通級的要求。

2.4 涂層硬度測試

依據(jù)GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》對1#～9#樣品進(jìn)行硬度測試，數(shù)值越大表明涂層硬度越高，硬度越高涂膜越致密。測試結(jié)果顯示，所有實驗樣品硬度均大于4H，高于SY/T 0457-2010對涂層硬度指標(biāo)要求(大于2H)，且井18井直管段與彎頭涂層硬度在服役1.5年后，高于新品硬度，說明涂層投運后硬度性能均能達(dá)到使用要求。

2.5 涂層耐沖擊測試

沖擊韌度是測試涂層在高速負(fù)荷作用下的變形程度。其測量原理是以一定質(zhì)量的重錘從不同的高度落在涂層上使涂層產(chǎn)生變形，然后檢查涂層的破壞程度。沖擊實驗設(shè)備選用BGD重型沖擊儀，沖頭直徑16 mm；檢漏測試選用科電SJ-6濕海綿檢漏儀，檢漏電壓67.5 V。

實驗采用1 kg落槌，重力加速度g按10 kg/N計算。下落高度為1 m時，認(rèn)為沖擊能量為10 J；下落高度為0.75 m時，認(rèn)為沖擊能量為7.5 J。沖擊后，觀察沖擊部位是否有明顯涂層脫落、崩裂現(xiàn)象。若金屬基材直接暴露，則直接視為沖擊試驗未通過；若涂層表觀完好，則使用濕海綿檢漏儀進(jìn)行漏點檢測，檢漏過程中，若存在漏點，則視為該能量下的沖擊實驗未通過，若不存在漏點則視為通過。

表2 涂層厚度測試結(jié)果Table 2 Test results of coating thickness樣品名稱井18井取樣井4井取樣新品直管彎頭滑套直管彎頭滑套直管彎頭滑套編號1#2#3#4#5#6#7#8#9#涂料類型液體粉末粉末液體粉末粉末液體粉末粉末實測厚度/μm134144198208240225506344220結(jié)果不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)普通級不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)特加強(qiáng)級普通級不達(dá)標(biāo)

表3 涂層硬度測試結(jié)果Table 3 Test results of coating hardness編號樣品名稱摩氏硬度1#2#3#井18井直管段6H彎頭6H滑套5H4#5#6#井4井直管段5H彎頭5H滑套5H7#8#9#新品直管段5H彎頭5H滑套5H

為了反映出各個樣品涂層性能的區(qū)別，參照SY/T 0442-2010，分別實驗了10 J沖擊能量和7.5 J沖擊能量，結(jié)果見表4。由表4可知，采用10 J能量沖擊后，僅有3#、6#、9#(均為滑套)樣品在67.5 V檢漏中無漏點存在；采用7.5 J能量沖擊時，均無漏點。實驗顯示，現(xiàn)場使用1.5年后的涂層樣品和新出廠樣品的耐沖擊性能均滿足SY/T 0442-2010要求?？傮w來看，滑套涂層耐沖擊性能表現(xiàn)更為優(yōu)越，這與滑套部位采用環(huán)氧粉末涂層并進(jìn)行人工涂敷操作有關(guān)。

表4 涂層耐沖擊測試結(jié)果Table 4 Test results of coating impact resistance編號樣品名稱平均厚度/μm沖擊能量7.5 J10 J1#2#3#井18井直管段134通過未通過彎頭144通過未通過滑套198通過通過4#5#6#井4井直管段208通過未通過彎頭240通過未通過滑套225通過通過7#8#9#新品直管段506通過未通過彎頭344通過未通過滑套220通過通過

2.6 涂層附著力測試

附著力是指涂層與被涂物表面之間或涂層與涂層之間相互結(jié)合的能力。依據(jù)SY/T 0544-2004《石油鉆桿內(nèi)涂層技術(shù)條件》，將試片放在75 ℃熱水中浸泡48 h后，取出試件，立即用小刀切出一個30 mm×15 mm的長方形，透過防腐層到達(dá)基底板中，然后在空氣中自然冷卻到(20±3) ℃。在取出試件后1 h內(nèi)，從長方形的任一角將刀尖插入防腐層下面,以水平方向的力撬剝防腐層，連續(xù)推進(jìn)刀尖直到長方形內(nèi)的防腐層全部撬離或防腐層表現(xiàn)出明顯的抗撬性能為止。按分級標(biāo)準(zhǔn)( 1級:防腐層明顯地不能被撬剝下來；2級:被撬離的防腐層小于或等于50%；3級:被撬離的防腐層大于50%，但防腐層表現(xiàn)出明顯的抗撬性能；4級:防腐層很容易被撬剝成條狀或大塊碎屑；5級:防腐層成一整片被剝離下來)評定長方形內(nèi)防腐層的附著力等級，1#～9#樣品的剝離實驗后形貌如圖4所示，附著力實驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。從實驗結(jié)果看，1#～9#樣品附著力均達(dá)到2級以上，附著性能良好，且1#～9#滑套樣品附著力達(dá)到了1級，附著力性能優(yōu)越，此結(jié)果與滑套涂層所采用的環(huán)氧粉末涂層并進(jìn)行人工涂敷操作有關(guān)。

表5 涂層附著力測試結(jié)果Table 5 Test results of coating adhesion編號樣品名稱平均厚度/μm附著力等級1#2#3#井18井直管段1342級彎頭1442級滑套1981級4#5#6#井4井直管段2082級彎頭2402級滑套2252級7#8#9#新品直管段5062級彎頭3442級滑套2201級

2.7 涂層耐磨性測試

涂層耐磨值反映了涂層對摩擦機(jī)械作用的抵抗力，是涂層附著力、硬度及涂料本身化學(xué)內(nèi)聚力的綜合體現(xiàn)。參考GB 23988-2009《涂料耐磨性測定 落砂法》及SY/T 0315-2005《鋼質(zhì)管道單層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》，對樣品進(jìn)行落砂法耐磨測試。測試過程中，將石英砂體積控制在2 L，測量落砂前后樣品涂層厚度的變化。涂層的耐磨值按式(1)計算。

(1)

式中：A為涂層耐磨值，L/μm；δ1為磨損前涂層厚度，μm；δ2為磨損后涂層厚度，μm；V為石英砂體積，L。

通過上述方法對內(nèi)涂層樣品進(jìn)行耐磨性實驗分析，結(jié)果見表6。根據(jù)SY/T 6717-2008《油管和套管內(nèi)涂層技術(shù)條件》及SY/T 0544-2010要求，A≥2 L/μm為合格。由表6可知，井4井直管段與彎頭樣品耐磨值略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 涂層耐磨性測試結(jié)果Table 6 Test results of coating resistance編號樣品名稱耐磨值/(L·μm-1)1#2#3#井18井直管段2.37彎頭2.33滑套2.514#5#6#井4井直管段1.79彎頭1.88滑套2.017#8#9#新品直管段2.91彎頭2.55滑套2.75

3 分析與討論

通過對井18井～井4井內(nèi)涂層管道取樣樣品的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

(1) 通過表面觀察，發(fā)現(xiàn)新舊樣品表面基本光平，未出現(xiàn)諸如裂紋、針孔、起泡、變軟、流掛等局部缺陷。在耐沖擊實驗中，新舊樣品受到7.5 J能量沖擊后，用濕海綿檢漏儀測試均無漏點?？梢?，服役1.5年后，涂層在物理形貌特征上依然合格，未出現(xiàn)漏點缺陷。

(2) 由于本次評價沒有獲取內(nèi)涂層管線6處取樣點投運初始時期的涂層厚度，無法計算出管線在投運1.5年后的涂層減薄值。但從新出廠的涂層樣品(7#～9#樣品)厚度來看，直管段和彎頭的涂層厚度遠(yuǎn)高于現(xiàn)場取回樣品，不排除現(xiàn)場涂層在使用1.5年后出現(xiàn)明顯減薄的可能。

(3) 根據(jù)SY/T 0422-2010及SY/T 0457-2010等要求，厚度指標(biāo)屬于涂層涂覆過程質(zhì)量檢驗的重要指標(biāo)之一。井18井～井4井內(nèi)涂層是在工廠內(nèi)進(jìn)行分段預(yù)制涂覆，新出廠的9#樣品涂層厚度不達(dá)標(biāo)，廠家需加強(qiáng)對涂層涂覆階段的厚度質(zhì)量把控。

(4) 服役后樣品與新出廠樣品內(nèi)涂層硬度性能指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)涂層附著力均在2級以上，說明涂料在管道內(nèi)壁涂敷后干燥程度較徹底，涂層較為致密，管輸腐蝕介質(zhì)對涂層的影響較小。同時也說明，在服役1.5年后，管道內(nèi)涂層可繼續(xù)起到保護(hù)作用，該環(huán)氧酚醛涂料在酸性腐蝕介質(zhì)中能有效地阻礙介質(zhì)對管線的腐蝕。

(5) 管道做好內(nèi)涂層防腐后，為了保證整體輸送管線內(nèi)涂層連續(xù)性，管道對接環(huán)焊縫處采用滑套進(jìn)行補(bǔ)口。涂層耐沖擊實驗與附著力實驗數(shù)據(jù)表明，滑套涂層的耐沖擊性能和附著力性能優(yōu)于彎頭與直管段涂層。廠家在出廠時對滑套采用噴砂除銹Sa3級，而直管與彎頭僅噴砂除銹到Sa2.5級，鋼材表面的光潔性增加了涂層性能。

(6) 從耐磨性指標(biāo)來看，井4井直管與彎頭耐磨值稍低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，且服役1.5年后，井18井和井4井樣品的耐磨值均低于新樣品的耐磨值。耐磨性結(jié)果表明，管線內(nèi)涂層長期接觸酸性介質(zhì)導(dǎo)致分子間結(jié)合力減弱，涂層耐磨性能下降。

4 結(jié) 論

(1) 井18井～井4井管線采用環(huán)氧酚醛內(nèi)涂層進(jìn)行內(nèi)防腐的1.5年時間里，管線未再出現(xiàn)內(nèi)腐蝕穿孔泄漏事故，環(huán)氧酚醛內(nèi)涂層防腐后有效抑制了內(nèi)腐蝕速度，短期內(nèi)解決了該管線在復(fù)雜腐蝕條件下內(nèi)腐蝕問題。由于該條管線未進(jìn)行過緩蝕劑加注，建議可在其他工況條件及腐蝕條件類似的管線采用緩蝕劑防腐，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對比，篩選出最優(yōu)的內(nèi)防腐方法。

(2) 服役1.5年后，內(nèi)涂層樣品的耐磨性與厚度指標(biāo)與新出廠樣品相比出現(xiàn)明顯降低，需要繼續(xù)定期跟蹤評價在役涂層的性能指標(biāo)，同時對管線內(nèi)腐蝕情況進(jìn)行腐蝕監(jiān)測，進(jìn)而評價該涂層在酸性腐蝕介質(zhì)中長期服役的可行性。