張楠革 吳貴陽(yáng) 何同均 高韻涵

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)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(yùn)行費(fèi)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(guó)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(guó)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(guó)石油西南油氣田蜀南氣礦某污水管線運(yùn)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(yùn)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(guó)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(duì)于管線的內(nèi)防腐主要采用添加緩蝕劑的方法。然而，對(duì)于存在內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)隱患，又沒有條件實(shí)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(lái)提高管線的服役壽命是一個(gè)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(shì)，如備選技術(shù)方案多樣、后期維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和防腐效果評(píng)價(jià)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(duì)川渝氣田蜀南氣礦某在役防腐內(nèi)涂層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)，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(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)鐘方向內(nèi)腐蝕穿孔。可見,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(wú)法有效抑制介質(zhì)的腐蝕。

針對(duì)以上問題，2015年8月，對(duì)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(wú)縫鋼管)共計(jì)1.88 km，該管線外防腐采用三層PE加強(qiáng)級(jí)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(yùn)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(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)已投用的內(nèi)涂層開展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)分析與討論

2.1 現(xiàn)場(chǎng)取樣

對(duì)井18井～井4井內(nèi)涂層管線進(jìn)行取樣對(duì)比分析。該管線2016年12月因?qū)嶒?yàn)需要進(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(shí)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(duì)各樣品進(jìn)行編號(hào)處理(見表1)。通過新舊樣品對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(zhǎng)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(yùn)用目視法對(duì)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(chǎng)取樣樣品色彩相對(duì)暗淡。

2.3 涂層厚度測(cè)試

依據(jù)GB/T 4956-2003《磁性基體上非磁性覆蓋層厚度測(cè)量 磁性法》為參照標(biāo)準(zhǔn)，采用五點(diǎn)平均值測(cè)量法，用MC-3000A/C/D涂層測(cè)厚儀對(duì)所有樣品涂層厚度進(jìn)行測(cè)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(jí)厚度，其余5個(gè)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(jí)厚度≥200 μm、加強(qiáng)級(jí)厚度≥300 μm、特加強(qiáng)級(jí)厚度≥450 μm；粉末涂料涂層普通級(jí)厚度≥300 μm、加強(qiáng)級(jí)厚度≥500 μm)。新出廠的7#～9#樣品厚度測(cè)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(jí)和普通級(jí)的要求。

2.4 涂層硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》對(duì)1#～9#樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，數(shù)值越大表明涂層硬度越高，硬度越高涂膜越致密。測(cè)試結(jié)果顯示，所有實(shí)驗(yàn)樣品硬度均大于4H，高于SY/T 0457-2010對(duì)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(yùn)后硬度性能均能達(dá)到使用要求。

2.5 涂層耐沖擊測(cè)試

沖擊韌度是測(cè)試涂層在高速負(fù)荷作用下的變形程度。其測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備選用BGD重型沖擊儀，沖頭直徑16 mm；檢漏測(cè)試選用科電SJ-6濕海綿檢漏儀，檢漏電壓67.5 V。

實(shí)驗(yàn)采用1 kg落槌，重力加速度g按10 kg/N計(jì)算。下落高度為1 m時(shí)，認(rèn)為沖擊能量為10 J；下落高度為0.75 m時(shí)，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(yàn)未通過；若涂層表觀完好，則使用濕海綿檢漏儀進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè)，檢漏過程中，若存在漏點(diǎn)，則視為該能量下的沖擊實(shí)驗(yàn)未通過，若不存在漏點(diǎn)則視為通過。

表2 涂層厚度測(cè)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(hào)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(shí)測(cè)厚度/μm134144198208240225506344220結(jié)果不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)普通級(jí)不達(dá)標(biāo)不達(dá)標(biāo)特加強(qiáng)級(jí)普通級(jí)不達(dá)標(biāo)

表3 涂層硬度測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of coating hardness編號(hào)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(gè)樣品涂層性能的區(qū)別，參照SY/T 0442-2010，分別實(shí)驗(yàn)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(wú)漏點(diǎn)存在；采用7.5 J能量沖擊時(shí)，均無(wú)漏點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)顯示，現(xiàn)場(chǎng)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。總體來(lái)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(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of coating impact resistance編號(hào)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(cè)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(gè)30 mm×15 mm的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)( 1級(jí):防腐層明顯地不能被撬剝下來(lái)；2級(jí):被撬離的防腐層小于或等于50%；3級(jí):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(jí):防腐層很容易被撬剝成條狀或大塊碎屑；5級(jí):防腐層成一整片被剝離下來(lái))評(píng)定長(zhǎng)方形內(nèi)防腐層的附著力等級(jí)，1#～9#樣品的剝離實(shí)驗(yàn)后形貌如圖4所示，附著力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，1#～9#樣品附著力均達(dá)到2級(jí)以上，附著性能良好，且1#～9#滑套樣品附著力達(dá)到了1級(jí)，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(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of coating adhesion編號(hào)樣品名稱平均厚度/μm附著力等級(jí)1#2#3#井18井直管段1342級(jí)彎頭1442級(jí)滑套1981級(jí)4#5#6#井4井直管段2082級(jí)彎頭2402級(jí)滑套2252級(jí)7#8#9#新品直管段5062級(jí)彎頭3442級(jí)滑套2201級(jí)

2.7 涂層耐磨性測(cè)試

涂層耐磨值反映了涂層對(duì)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(cè)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(duì)樣品進(jìn)行落砂法耐磨測(cè)試。測(cè)試過程中，將石英砂體積控制在2 L，測(cè)量落砂前后樣品涂層厚度的變化。涂層的耐磨值按式(1)計(jì)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(duì)內(nèi)涂層樣品進(jìn)行耐磨性實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of coating resistance編號(hào)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(duì)井18井～井4井內(nèi)涂層管道取樣樣品的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，新舊樣品受到7.5 J能量沖擊后，用濕海綿檢漏儀測(cè)試均無(wú)漏點(diǎn)?？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(diǎn)缺陷。

(2) 由于本次評(píng)價(jià)沒有獲取內(nèi)涂層管線6處取樣點(diǎn)投運(yùn)初始時(shí)期的涂層厚度，無(wú)法計(jì)算出管線在投運(yùn)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(lái)看，直管段和彎頭的涂層厚度遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)取回樣品，不排除現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)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(duì)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(jí)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(duì)涂層的影響較小。同時(shí)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(duì)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(duì)接環(huán)焊縫處采用滑套進(jìn)行補(bǔ)口。涂層耐沖擊實(shí)驗(yàn)與附著力實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)滑套采用噴砂除銹Sa3級(jí)，而直管與彎頭僅噴砂除銹到Sa2.5級(jí)，鋼材表面的光潔性增加了涂層性能。

(6) 從耐磨性指標(biāo)來(lái)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(zhǎng)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(shí)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(duì)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(píng)價(jià)在役涂層的性能指標(biāo)，同時(shí)對(duì)管線內(nèi)腐蝕情況進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，進(jìn)而評(píng)價(jià)該涂層在酸性腐蝕介質(zhì)中長(zhǎng)期服役的可行性。