常澤亮， 毛學(xué)強(qiáng)， 馬天兵， 漆亞全， 侯應(yīng)黎

（1. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒841000；2. 洛陽朗力表面技術(shù)有限公司， 河南 洛陽471003）

1 油氣田壓力容器的運(yùn)行工況及防腐措施

隨著我國三高（高Cl-、 高H2S、 高CO2） 油氣田的相繼投產(chǎn)， 油氣井采出水中Cl-、 H2S、CO2等腐蝕性組分含量越來越高， 高溫和低pH值促進(jìn)腐蝕的問題越來越突出。 在這種復(fù)雜的腐蝕性環(huán)境下， 油氣田壓力容器等設(shè)備常發(fā)生全面腐蝕、 應(yīng)力腐蝕、 點(diǎn)蝕、 晶間腐蝕、 縫隙腐蝕及垢下腐蝕等多種失效[1]。

1.1 油氣田壓力容器分類及材質(zhì)

油氣田中與三高介質(zhì)接觸的壓力容器超過70%， 主要包括分離器、 換熱器、 儲(chǔ)存容器及塔器等， 其中三類壓力容器超過20%， 這些設(shè)備設(shè)計(jì)壓力一般低于16 MPa， 操作溫度小于100 ℃， 低溫容器的操作溫度高于－70 ℃。 目前， 國內(nèi)外三高油氣田的壓力容器材質(zhì)主要有Q235、 20 系列、16MnR 系 列、 SA516、 SA106、 SA333、 316L、07Cr2AlMoRE、 09MnNiDR 等碳鋼和低合金鋼[2]。

1.2 腐蝕工況及防腐措施

三高油氣田的設(shè)備腐蝕情況非常復(fù)雜， 國內(nèi)外專家也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究， 腐蝕機(jī)理包括濕H2S 腐蝕、 CO2腐蝕、 H2S 和CO2的協(xié)同作用、Cl-與H2S 和CO2的協(xié)同作用、 溫度對(duì)腐蝕的影響、 pH 值對(duì)腐蝕的影響、 介質(zhì)流速對(duì)腐蝕的影響、 成膜和結(jié)垢對(duì)腐蝕的影響[3]。

針對(duì)目前的腐蝕現(xiàn)狀， 國內(nèi)外油氣田研究使用了一些防腐措施[4]， 起到了一定的防腐作用，但仍有部分問題難以解決。 常見的油氣田防腐措施包括： ①加注緩蝕劑。 成本較低， 適用于輸送液相介質(zhì)的管線防腐， 對(duì)于氣相介質(zhì)的環(huán)境則防護(hù)效果較差。 ②陽極保護(hù)+防腐涂料。 常用環(huán)氧類防腐涂料在常溫下就有較好的耐蝕性，但易老化、 脫落， 一般用于低壓容器。 ③基材采用耐蝕合金。 耐蝕合金具有良好的耐蝕性，適用于多種腐蝕工況， 但造價(jià)成本昂貴， 采購困難， 難以大量推廣。 ④采用耐蝕合金復(fù)合板。耐蝕合金復(fù)合板具有較好的耐蝕性， 成本具有一定的優(yōu)勢， 但厚壁復(fù)合板的熱處理存在技術(shù)難題。 ⑤非金屬防腐涂層。 國外公司有在常壓容器內(nèi)壁采用涂覆非金屬防腐涂層， 但在高壓容器的應(yīng)用較少。

2 金屬防腐涂層的開發(fā)

熱噴涂技術(shù)在近年來得到了廣泛應(yīng)用[5]， 其具備以下優(yōu)點(diǎn)： ①涂層材料種類不限， 純金屬及其合金、 陶瓷材料、 其他非金屬材料都可用來熱噴涂制備涂層[6]； ②涂層結(jié)合強(qiáng)度高， 可達(dá)70 MPa以上； ③生產(chǎn)效率高， 大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、 機(jī)械化； ④節(jié)約貴金屬， 降低使用成本， 在基體表面制備不到1 mm 的涂層， 都能達(dá)到耐磨防腐的功能。 根據(jù)熱噴涂工藝技術(shù)的特點(diǎn)， 結(jié)合三高油氣田壓力容器的使用工況， 研究開發(fā)了新型釬涂涂層工藝及新型鎳基耐蝕合金。

2.1 新型釬涂工藝

釬涂主要工藝為： 基體檢測→表面預(yù)處理→表面噴砂處理→檢測表面處理質(zhì)量 （粗糙度等）→噴涂施工→檢測涂料厚度→涂料重熔→局部修補(bǔ)→涂層厚度檢測→著色探傷→局部修補(bǔ)→退火處理→水壓試驗(yàn)→封孔處理。 該工藝是介于熱噴涂和焊接工藝之間的特殊涂層成型工藝， 它結(jié)合了熱噴涂和焊接的優(yōu)點(diǎn)[7-9]。 釬涂工藝設(shè)備主要包括： 高頻釬涂設(shè)備、 能量轉(zhuǎn)換器、 工業(yè)機(jī)器人。 釬涂工藝具備以下優(yōu)點(diǎn)： ①結(jié)合強(qiáng)度高。 涂層與基體材料是冶金結(jié)合， 結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)200 MPa 以上。②涂層孔隙率低。 涂層的孔隙率接近為0。 ③涂層均勻致密。 在磁場的作用下， 得到穩(wěn)定均勻致密的涂層組織。 ④對(duì)基體的熱影響小。 涂層可在1～3 s內(nèi)迅速達(dá)到加熱溫度， 對(duì)基體的熱影響小。 ⑤自動(dòng)化程度高。 整個(gè)作業(yè)過程依靠工業(yè)機(jī)器人機(jī)械化操作， 保證涂層質(zhì)量均勻穩(wěn)定可靠。

2.2 新型金屬涂層材料

經(jīng)過試驗(yàn)、 檢測、 篩選、 驗(yàn)證， 選配出一種新型金屬涂層材料， 涂層材料是在Ni－Mo－Cr－Fe－W 系列鎳基耐蝕合金的基礎(chǔ)上通過成分添加調(diào)配， 匹配釬涂工藝， 研發(fā)成功的一種耐蝕合金。釬涂鎳基耐蝕合金的涂層性能檢測結(jié)果見表1。

表1 釬涂鎳基耐蝕合金涂層性能檢測結(jié)果

3 釬涂鎳基耐蝕合金涂層的應(yīng)用

2014 年4 月， 利用釬涂技術(shù)在某油氣田高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁表面制備了鎳基耐蝕合金涂層，如圖1 所示， 設(shè)備的運(yùn)行工況參數(shù)見表2， 2015—2019 年現(xiàn)場PT 滲透探傷檢測涂層使用情況如圖2所示。 采用PosiTector 6000 FNS3 測厚儀對(duì)罐壁某一固定區(qū)域進(jìn)行金屬涂層厚度檢測， 檢測結(jié)果見表3。 由表3 可以看出， 2015—2019 年金屬涂層厚度基本沒有變化。

設(shè)備自2014 年7 月運(yùn)行至今， 運(yùn)行使用情況良好， 達(dá)到了預(yù)期的效果， 表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1） 涂層結(jié)合強(qiáng)度高。 具有很好的韌性， 不易脫落， 避免了因有機(jī)涂料防腐層脫落出現(xiàn)的腐蝕加速現(xiàn)象的發(fā)生。

（2） 涂層均勻致密。 避免了設(shè)備由于焊縫處材料成分不均勻?qū)е碌狞c(diǎn)蝕現(xiàn)象。

（3） 施工工藝對(duì)基體材料損傷很小。 有效克服了設(shè)備因熱處理而降低耐蝕性的缺點(diǎn)。

（4） 涂層防腐效果良好。 提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性、 減少了現(xiàn)場操作人員的維修工作量， 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖1 高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁釬涂制備耐蝕合金涂層

表2 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

圖2 2015—2019 年現(xiàn)場PT 滲透探傷檢測涂層使用情況

表3 高壓生產(chǎn)分離器內(nèi)壁鎳基耐蝕合金涂層厚度檢測結(jié)果

4 釬涂制備鎳基耐蝕合金涂層經(jīng)濟(jì)性分析

釬涂制備鎳基耐蝕合金涂層技術(shù)采用機(jī)械化、 自動(dòng)化工裝， 生產(chǎn)效率高， 涂層質(zhì)量均勻穩(wěn)定， 涂層厚度在1 mm 內(nèi)就能達(dá)到很好的耐腐蝕效果， 節(jié)省了貴重金屬的使用量， 具有很好的成本優(yōu)勢。 壓力容器內(nèi)壁采取不同防腐措施費(fèi)用對(duì)比結(jié)果見表4。 由表4 可以看出， 釬涂鎳基耐蝕合金涂層具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、 很大的發(fā)展和推廣前景， 能夠給油氣田設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行帶來有力的保障。

表4 壓力容器內(nèi)壁采取不同防腐措施費(fèi)用對(duì)比結(jié)果

5 結(jié) 論

（1） 釬涂鎳基耐蝕合金涂層已成功應(yīng)用于某油氣田壓力容器設(shè)備內(nèi)壁防腐， 其結(jié)合強(qiáng)度、 孔隙率、 耐腐性等性能得到驗(yàn)證。

（2） 釬涂耐蝕合金涂層具有較好的成本優(yōu)勢， 提高了設(shè)備的使用壽命， 減少了停產(chǎn)檢修時(shí)間， 保障了油氣生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3） 現(xiàn)場應(yīng)用效果跟蹤表明， 釬涂鎳基耐蝕合金涂層可達(dá)到預(yù)期的防腐效果。