作者：刘玉琴 , 冯燕桃 , 彭　轩　( 顺德格瑞特石油科技有限公司)

　　摘　要 : 简单介绍采油用小口径地下管道的腐蚀因素、状况及现用的防腐蚀技术 , 并对小口径管道薄层防腐蚀涂料配方、性能、技术指标及施工等进行了探讨。

　　关键词 : 小口径地下管道 ; 腐蚀 ; 涂膜防腐 ; 采油 ; 薄层涂料

　　0 　引　言

　　油田通过小口径地下管道将石油从地下提升到地面 , 达到采出石油的目的。采油用小口径地下管道由地面深入地下 , 形成地面到地下立体管网 , 遍布油田。油井地下管道油管的埋藏深度最短几米 , 最长有 5 000 m , 其工作环境恶劣 , 管道腐蚀严重 , 油田每年要耗费数百亿元人民币用于被腐蚀管道的维修和更换。油田采油用地下管道多用规格尺寸为 57mm × (8 . 5 ～ 11) × 10 3 mm 的标准钢管。深埋地层的采油管道 , 受地层地质构造条件和油层条件影响腐蚀严重 , 地下油管的平均腐蚀速率高达 1 . 5 - 3 . 3mm / a, 点蚀速率高达 5 - 15mm / a, 腐蚀状况是 : 3 ～ 6 个月穿孔 , 6 ～ 12 个月大修 , 1 ～ 2 年报废。采油用地下油管的平均使用寿命在 9 ～ 18 月不等 , 最短的仅有 3 个月。地下管道防腐问题成为油田正常采油和降低采油成本的关键。在石油行业中 , 采油用地下管道的工作环境比地面管输管道复杂 , 地下管道的防腐工作比地面难度大。同一油井 , 油管埋地的深浅不同 , 其承受的温度和压力的作用不同 , 承受各种化学腐蚀因素 ( 由水、汽、油及地下水中的溶解氧、盐类、二氧化碳、硫化氢等各种化学物质构成湿热、多盐、多腐蚀因子的环境 ) 的腐蚀不同。采油行业重视管道重防腐技术研究 , 在对现有管道防腐技术改进和完善的同时 , 寻求新的油管防腐技术 , 解决采油地下管道严重腐蚀的防护问题。

　　1 　工作环境、腐蚀因素及防腐技术现状

　　1. 1 　工作环境、腐蚀因素

　　采油用小口径地下管道原用进口钢管 , 近年来国产钢管也有使用并正逐步取代进口。采油用地下油管因深埋地下 , 地下各种地质条件和化学腐蚀因素对油管构成腐蚀 , 腐蚀情况随油管地下工作环境条件的变化有所不同 , 不同的地质板块有不同的化学腐蚀因素 , 构成不同腐蚀环境。地下工作环境的地质条件和腐蚀因素见表 1:

表 1 采油用小口径地下管道地下工作环境及腐蚀因素

    采油用小口径地下管道工作环境比油田地面管道苛刻 , 其腐蚀情况受环境条件和腐蚀因素的影响很明显。同一油井 , 油管埋藏深浅不同 , 承受温度、压力和各种化学腐蚀因素的浓度不同 , 腐蚀情况也不同。研究发现 , 小口径地下管道的腐蚀呈现如下规律 : 管道腐蚀情况同管道埋藏深度、地层温度和各种化学腐蚀因素浓度成正比。在相同地层深度和相同化学腐蚀因素存在的情况下 , 温度每升高 30 ℃ 左右 , 腐蚀就会加大 1 倍以上。地下水中的溶解 O 2 、 H 2 S 、 CO 2 、阴阳离子、硫酸盐还原菌 , 原油中所含 O 、 S 、 N 元素及氧化物构成了地下复杂的多腐蚀因素环境 , 来自于地下油层的水、汽、油中化学介质的腐蚀 , 使浸渍在其中的采油钢管受到严重腐蚀破坏 , 轻者出现砂眼、穿孔 , 重者呈现出蜂窝状穿孔和断裂 , 导致最终报废。

　　1. 2 　防腐蚀技术现状

　　石油行业现在用于地下油管的防腐蚀技术有 3 种 : 阴极防腐蚀技术、金属 Ni - P 化学镀膜防腐蚀技术、新材料碳纤维管防腐蚀技术应用。

　(1) 阴极防腐蚀技术是油田使用较多、经济有效的防腐蚀措施。阴极防腐蚀技术是电化学防腐蚀技术在油田管道的防腐蚀中的应用。油田用阴极防腐蚀技术有外加电流阴极保护和牺牲阳极保护两种 , 其原理都是利用金属在电解质溶液中 , 由于表面电化学的不均匀而形成腐蚀原电池。当阴、阳两极电流达到等电位时 , 管道腐蚀就被迫停止。

图 1 为阴极保护原理示意图。

    (2) 金属 Ni - P 化学镀膜防腐技术 , 该防腐原理是利用化学镀膜技术在地下油管表面镀上一层 Ni -P 非晶态合金 , 在金属油管表面形成一层结晶致密、孔隙度低、硬度高、均匀的化学镀层 , 镀膜厚度在 25 ～ 75 μ m 之间 , 经 Ni - P 化学镀膜防腐技术处理的地下管道 , 平滑度高、耐高温性好、防腐蚀性能优异、抗砂子冲刷磨损性强、管道使用寿命长。

　　(3) 新材料碳纤维管由功能性高分子合成材料制成 , 其柔韧性好 , 耐磨性、耐化学药品性优异 , 防腐性能好 , 属于新材料应用 , 正值推广试用期。

　　使用上述 3 种防腐技术在地下管道的防腐工程 , 对地下管道的防腐起到保护作用 , 有效延长了地下管道的使用寿命。但是因油田地下管道腐蚀因素的复杂和多样性 , 各种防腐技术也因某些技术缺陷存在 , 不能从根本上解决延长管道使用寿命、降低腐蚀维修费用的问题。阴极防腐技术受油管埋藏深度、油管长度、套管位置和长度、土壤含水率、地下水位高度、微生物、外接电源的影响 , 其防腐效果差异性大 , 某些环境条件阴极防腐技术不能应用。金属 Ni - P 化学镀膜防腐技术防腐蚀效果好 , 但致命的弱点是管壁容易结垢、结蜡 , 造成管道堵塞 , 需要经常进行管道清蜡、除垢工作。同时金属 Ni - P 化学镀的镀膜过程产生的废水对环境污染严重 , 受到国家环境保护政策的限制。新材料碳纤维管防腐性能优秀 , 但其减阻防结垢性能一般 , 且成本昂贵 , 很难大量推广使用。鉴于上述各种防腐技术的优缺点 , 研究机构正在组织进行防腐技术攻关 , 寻求用高分子涂膜内衬管壁的防腐技术 , 以道解决防腐蚀问题。

　　1. 3 　高分子涂膜防腐蚀技术对涂料性能的要求

　　用高分子涂膜技术对采油用小口径地下管道进行防腐蚀保护 , 有较高的技术难度和要求 , 原因是小口径地下管道口径小、管道长 , 对涂膜防腐蚀性能和喷涂设备的尺寸和精度要求高。小口径地下管道管径小 , 涂膜在内壁涂装铺展流平很困难 , 要求内壁涂层薄 , 涂膜防腐蚀性能高 ; 管道长 , 对涂料施工喷涂设备的精度和自动化程度要求很高。地下管道承受来自地面和地下的压力、地层温度和多种化学腐蚀因素的影响 , 要求管道内壁涂膜延展性、耐化学性、耐温性、耐砂磨性好 , 疏水、疏油 , 有减阻、防腐蚀双重功能。小口径管道对内壁防腐蚀涂料的技术要求如下 :

　　(1) 与金属的附着力强 , 涂层表面光滑平整 , 以降低油水运动的阻力 ;

　　(2) 要求涂膜厚度 (100 ± 20) μ m;

　　(3) 耐温性在 30 ～ 200 ℃ 之间 ;

　　(4) 较好的抗磨损能力 ;

　　(5) 耐油性、耐水性好 ;

　　(6) 疏水、疏油、防结垢、防结蜡效果好。

2 　内壁防腐蚀涂料配方设计及涂膜性能

　　2. 1 　减阻涂料配方的设计

　　根据小口径地下管道内壁用减阻防腐蚀涂料配方技术要求 , 结合小口径管道涂装的特殊要求进行涂料配方设计。充分考虑涂层薄、防腐蚀性能高的设计要求 , 对小口径地下管道用涂料配方进行设计 , 选用酚醛固化有机硅改性环氧树脂为高分子涂膜的成膜物质 , 金属铝粉、玻璃鳞片为填料 , 特殊性能的蜡粉、助剂、高沸点溶剂组成小口径地下管道内壁用减阻防腐蚀功能性涂料。涂料施工后经高温固化在油管内壁形成 (100 ± 20) μ m 的涂膜 , 在油管内壁形成了耐水和防腐涂膜 , 阻止油水腐蚀管壁。酚醛固化有机硅改性环氧树脂涂膜表面张力 , 低于油水临界界面张力 , 有疏水、疏油作用 , 防止油水在管道铺展、滞留 , 阻止内壁结蜡、结垢 , 起到减阻防腐蚀双重作用。参考配方见表 2 。

表 2   减阻防腐蚀涂料参考配方

2. 2 　成膜物及其对防腐蚀涂料性能的影响

　　小口径地下管道内壁用防腐蚀涂料使用有机硅改性的中相对分子质量环氧树脂与丁醚化二酚基丙烷甲醛树脂固化体系为高分子涂膜的成膜物质 , 酚醛固化的环氧树脂涂层防腐蚀性能优异 , 但用在地下管道内壁防腐蚀涂层时要求具有疏水、疏油、减阻等性能 , 因此必须对其进行改性才能满足要求。选用含甲基苯基的有机硅改性的中相对分子质量的环氧树脂为主要成膜物质 , 以丁醚化二酚基丙烷甲醛树脂为固化剂 , 在高温加热情况下进行交联固化形成三维网状不熔、不溶的高分子涂膜。涂膜除具有酚醛固化环氧树脂涂膜的优异防腐蚀性能外 , 还具有有机硅涂料耐热和低表面张力的特点 , 是性能优良的防腐蚀涂料。其对金属附着力好 , 固化收缩率低 , 耐温性、耐化学性能好 , 有疏水疏油性、机械强度和延展性好的优点。

　　涂料成膜树脂性能决定高分子防腐蚀涂膜的性能。经有机硅改性后的环氧树脂的性能与未经改性的环氧树脂的性能不同 , 改性后的环氧树脂分子链上引入了含有甲基苯基的硅氧烷基团 , 甲基、苯基在硅氧烷上的平行排列 , 增强了环氧树脂的疏水性 , 降低了树脂固化成膜后涂膜的透水性。相对分子质量中等的环氧树脂有一定的韧性 , 有机硅聚合物分子结构呈螺旋状 , 有延伸性 , 两者缩聚后 , 形成的有机硅改性环氧树脂在受热情况下分子链上的有机硅基团螺旋结构延伸 , 使改性后的有机硅环氧树脂具有好的耐热性和延伸性。改性后有机硅环氧树脂与酚醛树脂配制成的涂料其表面张力降低 , 接近钢管内壁的表面张力 , 帮助涂料在难以铺展流平的小曲率半径的小口径钢管内壁铺展流平附着。固化后钢管的内壁涂膜因临界表面张力降低 , 低于通过管道的油水的临界表面张力 , 油水在管壁内难以润湿、铺展、滞留 , 加快油水流动速度 , 减少管壁结垢、结蜡机会 , 降低管道堵塞 , 起到减阻防腐作用。

　　2. 3 　填料和助剂对防腐蚀涂料防腐蚀性能的影响

　　在配方设计中选用功能性填料和助剂 , 增强高分子涂膜的防腐蚀性能 , 保证薄层涂膜高防腐蚀性能要求。在防腐涂料的底漆配方中添加功能性填料 : 金属铝片和玻璃磷片 , 除增强底漆的填充性外 , 还可增强涂膜的耐磨性及对水和腐蚀介质的屏蔽作用。利用浮型金属铝粉和鳞片状玻璃粉在涂层中平行铺填 , 对水及腐蚀介质的渗透形成了屏障 , 延长了水及腐蚀介质渗透到管壁的路径 , 降低涂膜的透水率 , 对金属管壁起到了保护作用。

　　配方中添加适量的润湿、分散、消泡和流平助剂 , 帮助以及生产过程中的润湿、分散、消泡问题 , 解决涂料涂装过程中润湿、流平、抗流挂问题 , 解决涂膜固化过程中气泡和针孔问题 , 帮助获得光洁、平滑的涂膜。在涂料中添加适量高表面性能的聚四氟乙烯蜡 , 对提高涂膜耐油水携砂的磨损有较大帮助。

　　2. 4 　管道内壁涂膜性能技术指标及检测方法

　　管道内壁涂膜的性能及检测方法列于表 3 。

　　3 　减阻防腐蚀涂料的涂装

　　3. 1 　涂装工艺

　　小口径地下管道内壁涂层由 1 底 1 面组成 , 涂膜厚度设计要求是 100 ± 20 μ m 。底漆施工控制涂膜厚

表 3   管道内壁涂膜的技术指标及检验方法

　度在 60 ～ 80 μ m, 面漆施工控制涂膜厚度 30 ～ 40 μ m 。涂装前管道的前处理按照《涂装钢材表面处理规范》 ( SY/T 0407) 的规定 , 除锈后的表面应达到 Sa2 1 5 标准。涂装使用微型机械喷涂设备 , 其涂装工艺流程为 :

钢管前处理———预热———内壁喷涂底漆———烘干 (170 ～ 180 ℃ , 20min) ———内壁喷涂面漆———烘干 (185 ～ 195 ℃ , 30min) ———检验合格———成品—打包备用。

　　3. 2 　涂装设备及原理

　　小口径地下管道的标准尺寸是 57 mm × 10 3 mm , 管径小 ( 57 mm ) , 管道长 ( 一般为 11 m ) 。用普通的喷涂设备和方法不能对其进行内壁涂装 , 要用特殊的微小机械喷涂设备才能对其内壁进行涂装。对喷涂设备的尺寸和设备的精度及机械化程度要求高 , 要求喷涂设备可用于流水线涂装。

　　涂装工艺见图 2 。钢管在流水线上的运行如图 3 所示。

图 2   小口径地下管道内壁用减阻防腐蚀涂料涂装工艺简图

图 3   钢管在流水线上的运行图

3 　结　语

　　采油用小口径地下管道因使用环境恶劣 , 腐蚀严重 , 地下管道的防腐问题一直是石油行业的重要课题。电化学防腐技术、化学镀膜防腐技术、新材料在防腐工程的使用等防腐技术在油田都有应用 , 但成本低、操作简单、广泛用于船舶、桥梁、运输工具、长输管道、港口设施、石油化工贮罐等钢铁的涂料重防腐技术 , 还没有进入采油用小口径地下管道的防腐保护 , 其重要原因在于常规的重防腐蚀涂料属厚涂型重防腐蚀涂料 , 根据防腐级别的要求 , 涂膜厚度在 200 ～ 350 μ m, 特殊情况下达到 500 μ m 。小口径地下管道内径只有 57 mm , 管道长几米到几千米不等 , 受管道输送压力的制约 , 要求管道内壁防腐层越薄越好。厚涂型涂料防腐蚀性能虽然好 , 但涂膜厚 , 难以在管径小的钢管内壁进行涂装获得均匀涂层。同时因防腐涂层厚使管道内壁有效直径减少 , 加大管道输送压力和油田生产循环动力系统的负担能耗 , 油田难以接受。选用酚醛固化有机硅改性环氧树脂体系作为涂料的成膜物质 , 生产薄涂型的重防腐蚀涂料是使用特殊改性的合成树脂提高涂膜防腐蚀性能的新探索。酚醛固化有机硅改性环氧树脂体系的重防腐蚀涂料成本低、防腐性能好 , 在小口径管道内壁的试用已受到了采油行业的关注。小口径管道涂装设备研制是国际性的研究课题 , 目前国内外喷涂设备制造知名公司正在研究用于小口径管道涂装微型的和高精密度的设备。随着石油行业对管道设备涂膜防腐技术需求的变化 , 薄型重防腐蚀涂料的研究和使用将会越来越受到石油行业和涂料行业的重视。采油行业期待涂料行业能为石油化工管道提供更多防腐性能好的、适于流水线涂装作业的涂料防腐蚀技术 , 用于油田地下管网的防腐蚀 , 延长地下管道的使用寿命 , 最终降低采油成本。