石油鉆機腐蝕問題及處理措施

魯運來，胡 彪，張國輝，羅 軍

（西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

腐蝕是由于金屬材料受環境的影響，在化學或電化學的作用下引起結構的變質和破壞，在鉆機中使用的多半是鋼鐵材料，鋼鐵材料屬于鐵基，在氧和水的作用下形成含水氧化物，這種腐蝕的產物通常稱為鐵銹。在工業生產中，設備腐蝕情況非常普遍，每年由于腐蝕造成的損失占到國民生產總值的3%左右，近期美國有報道稱，由于腐蝕產生的經濟損失高達3000億美元[1-5]。腐蝕是石油工業中金屬設備破壞的最常見的原因，腐蝕增加管道設備的事故率，造成石油工業生產的泄漏和停工事故，并由此帶來環境污染。在我國由于管道腐蝕破壞造成的事故約占1/3，特別是在含水量較高的環境中，設備的腐蝕問題更為嚴重，影響到工業生產的科學穩定的發展。

1 鉆機面臨的腐蝕問題

石油鉆機在石油勘探中用于鉆取巖石和礦層進行采樣和探明地質情況的機械設備。在油氣勘探過程中發揮著重要的作用，石油鉆機被廣泛應用于陸地石油開發和海上油氣開發，近海的石油鉆機大部分采用的是陸地石油鉆機，防腐工藝為傳統的噴漆方式，因近海的石油鉆機常年在海邊工作，受海洋環境的影響，設備腐蝕加劇，機械性能受到影響，鉆機的使用年限縮短，維護成本逐年增加。

2 鉆機防腐處理措施

2.1 鉆機防腐處理要求

對于在陸地上使用的鉆機，在沙漠干燥地區，鉆機的碳鋼部件腐蝕速率較低，表面油漆易起皮掉落，對于這些地區的防腐，通常是采取定期更換高分子材料配件和進行補漆工作。在酸雨環境下，由于二氧化硫的含量偏高，鉆機的腐蝕速率明顯偏高，這些區域的鉆機通常應該選用錳鋼材料為基體，并加厚防腐層。高原環境中海拔高，氣壓低，太陽輻射強，高分子材料易被腐蝕，金屬腐蝕較輕。熱帶雨林地區高溫多雨，腐蝕更為嚴重，需要重防腐涂料來防護。

對于海洋附近用的鉆機，特別是海洋鉆井平臺，針對不同的海洋腐蝕環境，有不同的防腐措施。針對海洋大氣環境，濕度大，水中含有大量的鹽分，易在設備表面形成水膜，具備電化學腐蝕條件，目前最新采用的方法是在采取涂層防護的基礎上使用低合金鋼，提高耐腐蝕性。針對飛濺區，鋼鐵表面有水氣，碳鋼在飛濺區的腐蝕速度高達500 μm/a，腐蝕不均勻，海浪形成的氣泡對結構表面具有較大的破壞作用，解決措施是提高結構件的壁厚，或采用有機防腐層增強，并采用250 μm以上的防腐涂層。在潮差區通常與海水接觸的較多，會受到嚴重的腐蝕，因此必須采用兩層涂層防護，例如使用環氧樹脂加聚氨酯兩層疊加防護。全浸區的腐蝕速度最高可達180 μm/a，海水中的鹽、氧、沖擊、海洋生物等對全浸區都有很大的影響，采用防腐層和陰極保護等手段合用來進行防護[5-7]。海泥區含量量較低，電阻率也較高，腐蝕速度相對全浸區要低，采用陰極保護法可起到不錯的效果。

2.2 防腐處理材料

石油鉆機的防腐要求分為井架、底座、容器儲罐、走道和護欄等，根據鉆機使用環境和相關標準對環境的要求，鉆機主設備和容器的外表屬于高溫、高濕的環境，井架和底座設計的防腐能力須達到20 a以上，井場設備須達到15 a以上，容器儲罐和走道等須10 a以上。為了滿足設計壽命的要求，可以考慮使用熱浸鋅、冷噴鋅、鋅鉻涂層處理等方法，以及使用316不銹鋼材料和各種防腐涂料。

熱浸鋅是將鋼鐵結構件放入融熔的鋅液中，將鋼鐵表面覆蓋一層鋅來達到防腐的作用。在大氣環境下，鋅的表面可以形成氧化鋅以及鋅鹽，這些氧化物形成保護膜，可以減緩鋅的腐蝕，即使在鋅層被嚴重破壞，使鐵層暴露時，鋅與鐵也能通過電位差形成微電池，鐵作為陰極可以受到保護。熱浸鋅可讓融熔鋅均勻的覆蓋在設備的表面，硬度也比鋼鐵材料的硬度大，耐磨性也比鋼材要好。熱浸鋅也有氫脆的缺點，容易發生突然的斷裂，浸漬鋅液時操作溫度高，會降低構件的機械強度，涂層交界處易發生開裂、氣孔等。

冷噴鋅傳統的方法適用于體積較小的設備，利用輔助氣體將鋅粉高速噴向鐵金屬表面，由于在鐵的表面發生塑性形變而將鋅粉沉積在表面，這種方法最大的優點是工藝溫度相對較低，具有陰極保護和屏障式保護雙重作用，冷噴工藝的造價較高，但有良好的配套性，適合于鉆機的主機、鉆臺面設備和固定控制設備等。

鋅鉻涂層是一種新型的防腐處理方法，將鉻酸與鋅、鋁和鋼鐵金屬發生反應，形成致密的鈍化隔層，這層鈍化膜具有壁壘效應，比傳統的電鍍鋅耐腐蝕性要高出近10倍，沒有熱浸鋅的氫脆性缺點，具有較高的耐溫性、耐磨性、耐候性、滲透性，適用于高強度的部件。鋅鉻涂層的缺點是燒結溫度比較高，需要較長的處理時間，導電性能稍差，顏色較為單一，成本略高于熱浸鋅，適用于小件物體。

316不銹鋼材料含有的鉻含量較高，可以與環境中的氧氣形成氧化膜，富鉻氧化膜可以阻止氧氣的進一步入侵，具備較為優秀的耐腐蝕性、耐高低溫性能和良好的工藝性能，但是采用316不銹鋼的成本較高，是普通不銹鋼的價格的1.5倍，電阻率較高，部分石油鉆機中的防護設備可采用316不銹鋼材料。

除了采用防腐處理的材料之外，對設備進行涂料涂刷涂層是必不可少的，針對不同環境選用不同的涂層體系，環氧富鋅底漆是環氧樹脂和鋅粉為主要原料，加上各種增稠劑和助劑，在腐蝕環境中，鋅粉通過電化學作用保護鋼鐵基體，富鋅底漆具有較好的附著力，鋅粉含量較高，具有較好的耐性性能和機械性能。富鋅底漆不用直接用于鉆機設備，須與中間漆和面漆配合使用。底漆還可以使用環氧鋅黃底漆、環氧玻璃鱗片底漆等。中間漆常見的有環氧云鐵中間漆，其主要是由灰色云母氧化鐵、環氧樹脂、聚酰胺樹脂等組成，漆膜具有較好的耐鹽水性能，有良好的力學性能，具有較好的抗滲透屏蔽性能，但是氣溫過低時，環氧樹脂固化慢，潮濕天氣不宜施工。面漆通常采用的是環氧煤瀝青防腐面漆和氟碳樹脂面漆等，環氧煤瀝青溶劑含量低，成膜迅速，施工方便，涂層厚實，氣孔較少，干燥速度較快，但在濕度＞80%時不宜施工。氟碳樹脂引入了氟元素，使分子結構中形成氟碳鍵聚合鏈，具有特殊的保護結構，可以抵御氧化褪色、起皺等。氟碳樹脂面漆的優點在于具有超長的耐候性，使用壽命高達20 a。

2.3 防腐施工

為延長石油鉆機的使用壽命，防腐的施工也有一定要求，鉆井設備的外表面首先進行冷噴鋅防腐處理，然后采用復合涂料噴涂法進行二道防腐。中間層第一道使用環氧封閉底漆，干膜厚度30 μm，間隔24 h候噴涂中間第二層厚凃型環氧中間漆，干膜厚度為150 μm，最后等中間層干后噴涂氟碳樹脂面漆，干膜厚度需要達到60 μm。底座下平面可以采用冷噴鋅，環氧封閉底漆，環氧煤瀝青防腐面漆三道涂料工序。鉆臺面涂料施工采用環氧富鋅底層+抗磨損環氧樹脂中間層+抗磨損環氧樹脂面漆3道工序。油腔內表面采用環氧酚醛樹脂漆涂刷兩道，每道厚度為（40～50）μm，固控館外表面與鉆井外表面涂刷工藝類似。設計采用的防腐噴涂工藝首先是設備表面處理，然后進行噴涂底漆，刮膩子后進行中間涂層，最后進行面漆的施工。薄板表面處理首先是需進行脫脂處理，再進行手工打磨，打磨后清洗干燥，然后再進行噴涂底漆。結構件的表面處理是用表面噴砂處理代理手工打磨。現場涂裝的施工方法有輥刷、無氣噴涂、空氣噴涂等方法。

3 鉆機防腐維護

在石油鉆機使用過程中，設備外表面防腐被破壞，需要做現場修補。一般修補工藝流程：結構處理→表面處理→預先涂刷→冷噴鋅→環氧封閉底漆→環氧中間漆→氟碳面漆。

底漆的施工方法：先將涂料進行混合，冷噴鋅涂料容易沉淀，攪拌均勻后才施工，施工過程中應不時攪拌，防止沉淀。現場涂裝方法為刷涂、輥涂、噴涂等方法，噴涂孔徑為0.5 mm，噴出壓力為10 MPa左右，噴槍的距離約為50 cm，第一道環氧封閉漆噴涂時，要加入20%的稀釋劑，形成噴霧狀，使得表面得到全部濕潤以便更好的滲入到冷噴鋅涂層中去。環氧中間漆的施工也可以采用噴涂，壓力在100 kg/cm2，施工后濕膜厚度須在120 μm以上。最小涂裝間隔為16 h，施工過程中每一道工序應保持表面清潔，避免厚度不足或者超標，中間漆應保持無氣泡、無針孔，施工溫度和濕度控制在合理的范圍，漆膜干燥后應平整光滑。施工過程中也須穿戴好勞保用品，現場嚴禁明火，高空作業須做好安全防范措施，保證通風良好。

4 結語

石油鉆機的防腐技術一直是石油工業長期面臨的一個問題，特別是在鉆機使用環境較為惡劣的地區，多次補漆效果仍不好，維護保養費用一直是筆較大的支出，維護不好容易造成設備使用周期縮短，甚至導致生產事故。本研究提出了對鉆機綜合防腐的方案，針對不同的適用地區設計不同的防腐方案，并根據不同的設備采用不用的防腐施工工藝和涂料配方，并在使用過程中須加強鉆機的維護和保養，對設備腐蝕區進行修補涂漆，增加了防護時間，提高了鉆機的防腐蝕能力，延長了鉆機使用年限。

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