改性環氧粉末涂層在酸性油氣田管道內防腐的應用探究

張楠革

摘 要：本文結合酸性油氣田管道內腐蝕的特點以及腐蝕機理，對新型防腐涂層的設計理念與構想進行分析，根據相關新型涂層抗高溫、高壓，耐強酸，耐二氧化碳、硫化氫、氯離子的實驗結果進行探討，希望對改性環氧粉末涂層在酸性油氣田管道內防腐應用方面提供一定的參考意見。

關鍵詞：環氧粉末涂層；酸性油氣田；管道；內防腐

現階段我國正在開發的油氣田中，酸性油氣田占有非常高的比例。近幾年新開發的大型氣田諸如羅家賽氣田、普光氣田、龍崗氣田等都屬于酸性氣田。如果酸性油氣田管道內發生腐蝕，將會帶來嚴重的安全隱患。近年來隨著酸性油氣井開發向深井以及超深井邁進，生產工況的腐蝕條件也愈發惡劣。壓力與溫度不斷升高；管輸介質中的二氧化碳、氯離子、硫化氫的比例都明顯上升；油氣井在開采后期產水量升高。這些變化都加劇了油氣田腐蝕的嚴重程度。如何有效進行酸性油氣田的防腐成為工作的重點。

1 酸性油氣田腐蝕的特性

目前，油氣田腐蝕中非常重要的部分有石油管、油水分離罐與油氣集輸管材的腐蝕，根據石油管材以及設備的腐蝕特點可以將其劃分為外腐蝕、內腐蝕[1]。其中外腐蝕的原因是由于受到地下水、土壤、雜散電流等因素造成的，而內腐蝕主要是由內部介質所導致。石油管材以及設備內腐蝕具有以下特點，第一，在高壓或者高溫的環境，第二，水是其中的載體，在氯離子的催化下，將二氧化碳、硫化氫、氧氣作為腐蝕物質，水、烴、固共存的多相流腐蝕介質，第三，硫化物是高含硫氣田開發中非常重要的腐蝕物質。

酸性油氣田的腐蝕具有以下特性：

①腐蝕的機理非常復雜，大部分氣井的腐蝕都是受到二氧化碳、硫化氫、氯離子的影響導致的，另外還有少部分氣井受到細菌的腐蝕。

②腐蝕的類型具有多樣性的特點，不僅存在由于硫化氫引發的應力腐蝕，還受到二氧化碳、氧氣以及氯離子的影響，發生化學腐蝕，除此之外，還有少部分氣井存在垢下腐蝕、細菌腐蝕的現象。

③酸性油氣田腐蝕的范圍非常廣泛，在各種腐蝕因素的影響下，非常容易發生腐蝕現象。

④酸性油氣田的腐蝕一般都具有非常嚴重的后果，會直接使集輸設備與井下油套管等發生穿孔、破損等問題，嚴重時還可能威脅到人的生命安全，發生安全事故。

2 酸性油氣田腐蝕機理

2.1 二氧化碳腐蝕機理

二氧化碳本身并不具有腐蝕性，且與水、原油等非常易溶，當二氧化碳與水相溶后生成的碳酸，與鐵會發生化學腐蝕反應，這類腐蝕現象主要表現為坑蝕、點蝕、膿瘡狀臺地蝕等。對二氧化碳腐蝕有影響作用的因素包括溫度、水量、CO2分壓、PH值、鈣，鎂，氯等離子的濃度、硫化氫與氧氣的含量、介質流速與微生物、材料的合金成分等。

二氧化碳在陰極和陽極的腐蝕破壞行為也有不同的表現，在陰極處二氧化碳與水發生化學反應生成碳酸，會生成氫離子。由于氫離子是強去極化劑，極易奪取電子還原，促進陽極鐵溶解而發生腐蝕現象，同時氫原子會進入鋼中，使得金屬構件開裂。在陽極處，由與鐵不斷溶解，造成了均勻腐蝕、局部腐蝕等問題，一般表現為金屬設施壁厚變薄、點蝕穿孔等局部腐蝕破壞，局部腐蝕速度遠大于均勻腐蝕，且會產生非常嚴重的危害。

2.2 硫化氫腐蝕機理

硫化氫對金屬材料的腐蝕破壞一般發生在水溶液中。硫化氫溶解于水中電離，會釋放出易在陰極奪取電子的氫離子，導致陽極鐵溶解而發生腐蝕。陽極反應生成的腐蝕產物硫化鐵在鋼鐵表面的附著力不強，很容易脫落，另外由于硫化鐵的電位較高，作為陰極與鐵基體構成活性微電池，還會繼續腐蝕鐵基體。

隨著高硫氣田的不斷開發，高溫高壓高含二氧化碳與硫化氫腐蝕環境越來越多，地面天然氣處理廠以及地下材料服役的環境越來越嚴峻。尤其是當有硫元素時出現時，材料服役面臨許多新的陰極還原反應，腐蝕現象也越來越嚴重。

3 新型聚合物耐溫高抗滲透性涂層的設計構想

新型聚合物耐溫高抗滲透性涂層的分子結構良好，有良好的耐高溫的特性，且不易發生腐蝕，可以有效的抑制二氧化碳、硫化氫與氯離子對金屬的侵蝕，另外，該涂層在水、油、酸性氣體等極其復雜的油田環境中更具有附著力。

為了確保防腐蝕的效果，重防腐材料應該具備以下特性，第一，不易被穿透，能抵御各種強腐蝕介質的穿透，從而達到保護基材的作用，同時要控制好涂層的厚度能夠適應各種情況的危害，第二，粘性一定要好，要在重腐蝕環境下緊貼被保護的基材，不發生脫落、起皮、開裂等現象，對其起到相應的保護作用，第三，涂層由于要承受多種機械應力的作用，因此必須具備較長使用壽命，為了滿足不同使用要求，還應具備減阻、耐溫、節能等功能。

在涂層設計技術路線方面，首先是改進固化劑結構，用新型含多種官能團的固化劑，提高涂層的高溫穩定性和抗高溫剝離性能，其次，選擇多官能團改性的樹脂代替現有樹脂，從而提高涂層濕態附著力與耐高溫滲透性，最后，涂層微結構的設計與調控，采用互相穿插網絡狀的彈性結構、有機或無機納米顆粒半剛性結構，降低涂層因溫度交變而產生的內聚力，提高涂層體系活性通道的堆積密度，進一步提高涂層的粘結強度和抗滲透性。

在技術實施方面要按照以下步驟進行：第一，仔細篩選已研制、已開發的重防腐蝕涂層系列，比較涂層的抗附著力、滲透性以及機械性能等指標，挑選出在氯離子、二氧化碳、硫化氫含量高的環境中防護性能較好的基礎體系涂層。第二，采用合適的分析方法，不斷地改進優化高性能的涂層體系，開發出新型系列涂層，并在實驗室模擬三高環境進行加速腐蝕研究實驗。第三，研究適宜的涂裝工藝和涂裝設備，對涂層進行綜合性能評價和測試。

4 新型聚合物耐溫高抗滲透性涂層分析

某新型環氧粉末涂層在20%鹽酸溶液、15MPA、80攝氏度條件下，放置20小時涂層表面完好，沒有氣泡、脫落的問題。將其置于不同配比的酸溶液中，放置不同的時間段，并將其加熱至93攝氏度，放置一段時間后將樣板從酸溶液中取出，觀察其表面的變化情況，涂層表面完好，沒有出現氣泡、脫落的問題。該新型聚合物耐溫高抗滲透性粉末涂層體系構成見下表。

這種新型涂層在二氧化碳、硫化氫、氯離子的腐蝕下，也具有很強的抵抗性。在總壓15MPa，溫度150攝氏度，二氧化碳、硫化氫、氯離子濃度超標的情況下，該涂層外觀附著力都沒有變化，可見其具備在高酸性腐蝕條件下使用的潛力。

5 總結

綜上所述，針對現階段存在的由于高含二氧化碳、硫化氫、氯離子而導致的地面集輸管線與井下油管的腐蝕等問題，研究出新型聚合物耐高溫抗滲透性涂層，是酸性油氣田未來防腐可選手段之一。而將聚合物涂層粉末化，以確保涂層的穩定與絕緣的特性，最大程度的提高其耐沖擊強度、剝離強度以及粘連力，是未來防腐內涂層發展方向之一。

參考文獻：

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