酸性環(huán)境下流速對(duì)內(nèi)涂層性能的影響研究①

田源 肖杰 李珊

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地

隨著我國(guó)天然氣氣田不斷深入開(kāi)發(fā)，天然氣開(kāi)采、集輸、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)雀鞣N系統(tǒng)的油氣管道用量增加，管線(xiàn)的腐蝕程度日益嚴(yán)重[1]?，F(xiàn)場(chǎng)井下、集輸系統(tǒng)等管道大多數(shù)采用的是碳鋼材料。碳鋼材質(zhì)的抗腐蝕性能相對(duì)較弱，通常需要配合外加緩蝕劑或者敷設(shè)內(nèi)涂層等手段提高材料在CO2/H2S共存條件下的耐蝕性能。因此，在川渝酸性氣田的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用了敷設(shè)涂層的碳鋼材料管線(xiàn)，這對(duì)管道系統(tǒng)安全高效運(yùn)行、延長(zhǎng)使用壽命及降低經(jīng)濟(jì)成本起著舉足輕重的作用。

流體流速對(duì)有機(jī)涂層的失效機(jī)理影響非常復(fù)雜[2]。一方面，流速影響著水分子、Cl-等腐蝕介質(zhì)分子向管道母體材料傳輸過(guò)程的快慢；另一方面，流速會(huì)加速溶劑型涂層內(nèi)部未揮發(fā)的小分子溶劑溶出[3-4]。因此，對(duì)3種不同廠(chǎng)家的管道內(nèi)涂層開(kāi)展了耐沖蝕性能和耐電化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

1 流速對(duì)內(nèi)涂層耐沖蝕性能的影響

1.1 試驗(yàn)條件

通過(guò)調(diào)研分析，選取市場(chǎng)上適用于油井管的3家廠(chǎng)家的3種涂層，涂層均以環(huán)氧-酚醛樹(shù)脂為基料。按照評(píng)價(jià)程序進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，分別將涂層編號(hào)為1#、2#、3#。涂層的涂敷施工工藝相同。從內(nèi)涂層油管取規(guī)格試樣，并用環(huán)氧樹(shù)脂封裝完好制成大小規(guī)格一致的試件。所選取涂層基礎(chǔ)參數(shù)如下。

涂層1#：以環(huán)氧-酚醛樹(shù)脂為基料，液體涂料，米黃色，具有優(yōu)異的抗扭矩、抗拉伸等機(jī)械性能，耐磨性能2.4 L/μm，適用于pH值范圍3～12.5的介質(zhì)，耐溫性能120 ℃。

涂層2#：以環(huán)氧-酚醛樹(shù)脂為基料，液體涂料，最高耐溫180 ℃，抗Cl-質(zhì)量濃度不超過(guò)0.5 g/mL，適用于pH值范圍2～13的介質(zhì)。

涂層3#：以環(huán)氧-酚醛樹(shù)脂為基料，液體涂料，適用工況為H2S摩爾分?jǐn)?shù)≤20%，CO2摩爾分?jǐn)?shù)≤35%，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%，最高耐溫180 ℃，最高耐壓70 MPa，耐磨性能2 L/μm。

試驗(yàn)設(shè)定條件：將試樣浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液，H2S氣體分壓1.5 MPa、 CO2氣體分壓1.5 MPa，120 ℃，試驗(yàn)周期7天、分別設(shè)定液體流速為0 m/s、2 m/s和4 m/s。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

模擬條件試驗(yàn)結(jié)果外觀(guān)如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)流速?gòu)? m/s增大到2 m/s后，3種涂層均出現(xiàn)多處鼓泡現(xiàn)象；當(dāng)流速增大到4 m/s后，鼓泡及邊緣涂層剝落現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。由此可知，同一種涂層試樣鼓泡和邊緣剝落現(xiàn)象隨著流速增大而越發(fā)嚴(yán)重。

2 內(nèi)涂層阻抗與極化曲線(xiàn)分析

2.1 試驗(yàn)條件

浸泡試驗(yàn)溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl的溶液。

交流阻抗譜EIS：擾動(dòng)電壓 5 mV，頻率范圍 0.1～105Hz，試樣面積1 cm2；參比電極：飽和甘汞電極SCE；輔助電極：鉑金Pt。

極化曲線(xiàn)：掃描范圍-2～2.5 V，掃描速率5 mV/s，試樣面積1 cm2；參比電極：飽和甘汞電極SCE ；輔助電極：鉑金Pt。

2.2 內(nèi)涂層交流阻抗分析

圖2是3種涂層材料分別在靜態(tài)(流速為0 m/s)、流速為2 m/s和4 m/s的NaCl溶液中浸泡所測(cè)得的交流阻抗譜。從圖2可知，隨著流速的不斷增加，3種涂層的阻抗譜半徑不斷減小，說(shuō)明涂層的電阻也在不斷降低，表明涂層的耐腐蝕性能隨著流速的增大而減小。

對(duì)3種涂層的阻抗譜數(shù)據(jù)的處理采用圖3所示的等效電路來(lái)進(jìn)行。根據(jù)此等效電路，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試所獲得的阻抗譜進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，見(jiàn)圖4～圖6。

從結(jié)果來(lái)看，擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)能夠很好地吻合，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的等效電路能夠正確地反映電化學(xué)測(cè)量體系特征。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試阻抗的等效電路擬合，可計(jì)算得到涂層電阻值Rcoat的大小，結(jié)果列于表1中。根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制出涂層電阻大小隨流速的變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖7)。由圖7可看出，涂層電阻值隨著流速增加而減小，涂層耐蝕性隨電阻值減小而降低。結(jié)合圖1腐蝕形貌照片顯示，隨著流速增大，涂層表面均出現(xiàn)不同程度的鼓泡甚至邊緣剝落現(xiàn)象，與阻抗譜結(jié)果相吻合。

2.3 內(nèi)涂層極化曲線(xiàn)分析

圖8是3種涂層的極化曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果。從圖8可看出，3種涂層在低流速環(huán)境下具有水平相當(dāng)?shù)母g傾向。當(dāng)流速為4 m/s時(shí)，涂層2#自腐蝕電位明顯較負(fù)，同時(shí)腐蝕電流密度也較大，其腐蝕傾向較大，而且腐蝕速度較快。借助電化學(xué)相關(guān)軟件Corrware對(duì)極化曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Tafel擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖9～圖11，并將擬合數(shù)據(jù)結(jié)果列于表2中。

表1 涂層電阻擬合結(jié)果條件Rcoat/Ω1#2#3#v=0 m/s1302 443425v=2 m/s9815132v=4 m/s497102

為便于比較，對(duì)極化曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了作圖，自腐蝕電位和腐蝕電流密度隨流速的變化規(guī)律分別見(jiàn)圖12和圖13。由圖12可看出，涂層的自腐蝕電位均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不同種類(lèi)的涂層自腐蝕電位下降幅度不同；隨著腐蝕介質(zhì)的流速增加，涂層的耐腐蝕性能下降。圖13反映出不同涂層的腐蝕電流密度隨腐蝕介質(zhì)流速增加均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不同種類(lèi)的涂層腐蝕電流密度上升幅度不同。說(shuō)明隨著腐蝕介質(zhì)流速增加，涂層的耐蝕性能下降。

表2 極化曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果條件編號(hào)1#2#3#Ecorr/mVJcorr(A·cm-2)Ecorr/mVJcorr(A·cm-2)Ecorr/mVJcorr(A·cm-2)v=0 m/s-4191.35×10-7-4803.28×10-7-5245.56×10-7v=2 m/s-5731.21×10-6-5729.32×10-6-5959.32×10-6v=4 m/s-5372.03×10-6-6952.36×10-5-5371.14×10-6

3 結(jié)論

(1) 隨著流速增大，涂層均出現(xiàn)不同程度的鼓泡和邊緣剝落現(xiàn)象。流速越大，鼓泡和剝落現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)流速為4 m/s時(shí)，所有涂層試樣都出現(xiàn)較嚴(yán)重的鼓泡現(xiàn)象。

(2) 隨著流速的不斷增加，3種涂層的阻抗譜半徑都不斷減小，說(shuō)明涂層的電阻在不斷降低，涂層的耐腐蝕性能隨流速的增大而降低。

(3) 隨著流速增大，涂層腐蝕傾向增大，腐蝕電位下降劇烈，耐沖蝕性能降低。