高分子涂層在工藝容器中的應用

楊福昌

（中海油石化工程有限公司）

工藝容器是化工生產中常用的重要設備，在油氣行業尤為常見。實際應用中，工藝容器會受到儲存或運輸的介質、工作溫度、壓力等因素的影響，產生全面腐蝕、應力腐蝕、氫損傷、縫隙腐蝕及磨損腐蝕等各種腐蝕［1］，導致設備出現故障，發生介質泄漏現象，對安全生產造成威脅。工藝容器的防腐策略包括合理選材、添加緩蝕劑、改善焊接質量、電化學防護、使用防腐涂劑、應用防護襯里及加強管理維護等多種方法［2］。其中，使用防腐涂劑即涂層技術是一種廣泛應用且經濟有效的防腐方法，國外石油公司也將工藝容器內使用的高分子涂層定義為襯里。

近年來，涂層技術替代復合板在工藝容器等設備關鍵腐蝕區域得到了很好的應用，大幅降低了項目的投資成本。但由于對涂層的性能缺乏認知，人們常將工藝容器內涂層等同于外油漆，或等同于儲罐內涂層，對涂層的性能選擇不夠重視，往往導致涂層選型錯誤，且對施工過程質量控制不當，導致實際生產過程中涂層提前失效，造成對涂層技術的不信任與否定［3～9］。

1 涂層技術應用現狀

對涂層技術的應用［10］，目前國內沒有專門針對工藝容器內防腐的標準，可參考的標準有SY/T 0611—2018《高含硫化氫氣田集輸系統內腐蝕控制規范》、GB/T 50393—2017 《鋼質石油儲罐防腐蝕工程技術標準》及SY/T 0319—2012《鋼質儲罐液體涂料內防腐層技術標準》等［11］。

工藝容器內防腐常用涂層分為有機防腐涂層、無機防腐涂層和有機無機復合防腐涂層。有機防腐涂層是目前工藝容器內防腐的主要選擇，具有良好的粘接性能、機械強度、耐化學品性能及耐磨抗沖擊等特點。主要包括丙烯酸脂、硅樹脂、聚氨酯、乙烯基脂、聚脲、襯膠、氟橡膠、環氧樹脂、酚醛環氧樹脂及改性酚醛環氧樹脂等，不同類型的有機防腐涂層粘接性能、機械性能、耐化學品性能和耐磨性能不盡相同。

按粘接性能排序為：酚醛環氧樹脂﹥環氧樹脂﹥聚氨酯﹥聚脲﹥多硫化物、硅樹脂﹥丙烯酸甲酯﹥丙烯酸醇酸﹥丙烯酸﹥乙烯基酯。

按機械性能排序為：酚醛環氧樹脂﹥環氧樹脂﹥聚氨酯﹥聚脲﹥乙烯基酯﹥丙烯酸甲酯﹥丙烯酸醇酸﹥多硫化物、硅樹脂。

按耐化學品性能排序為：硅樹脂﹥酚醛環氧樹脂﹥環氧樹脂﹥乙烯基酯﹥聚氨酯﹥聚脲﹥丙烯酸甲酯﹥丙烯酸醇酸﹥多硫化物。

按耐磨性能排序為：聚氨酯﹥聚脲﹥環氧樹脂﹥酚醛環氧樹脂﹥硫化物﹥乙烯基酯﹥硅樹脂﹥丙烯酸﹥丙烯酸甲酯﹥丙烯酸醇酸。

國內工藝容器的設計壽命一般為15～20 年，容器涂層的應用效果較好，但也有部分設備使用1 年或幾個月就出現涂層鼓泡、脫落、開裂等現 象（圖1）。

圖1 國內某石油公司分離器內涂層失效現場圖

涂層提前失效的原因主要有兩個方面：一是涂層選型不當，不能適應設備操作工況；二是涂層施工質量控制不到位，導致涂層在生產過程中發生失效，部分涂層甚至在還未投入使用前就開始失效。具體原因有如下幾種：

a.涂層內部空隙。含溶劑涂層在固化過程中，溶劑揮發會在涂層內留下毛細孔，涂層在施工過程中，厚度超過了指定厚度，導致溶劑無法全部揮發，固化時無法及時填充溶劑揮發時產生的毛細孔，則會在涂層內留下孔隙，介質會通過涂層內的毛細孔與基材接觸，導致腐蝕。涂層填料調和不均勻或多孔填料，同樣會在涂層內留下毛細孔。

b.滲透作用?；谋砻嫣幚頃r，基材表面含有鹽分或滲透進基材的污染物未清理達標，或者涂層內含有親水性溶劑，在滲透作用下，尤其是冷墻效應的加持下，會加速液體向涂層內滲透，導致涂層鼓泡。

c.耐溫性能不滿足要求。部分容器底部有加熱盤管，局部溫度較高，超出容器介質的平均溫度，涂層無法耐受操作工況的浸泡溫度，或者在大修期間，蒸汽吹掃破壞涂層，導致耐溫性能不滿足要求。

d.耐化學品性能不滿足要求。涂層無法滿足工藝容器內介質的化學性能，導致涂層被化學物質腐蝕，例如環氧涂層無法盛放有機酸等物質，存在相似相溶的問題。

e.涂層施工質量控制問題。涂層施工涉及表面處理、混合材料、噴涂或刷涂材料、控制涂層間的施工間隔、最終的檢測以及整個施工過程的溫濕度檢測等多個階段。目前涂層施工的質量控制文件已經非常嚴格有序，但是部分指標無法量化，仍依據目測評估，主觀因素影響大，與施工團隊和監理的專業程度有關，甚至存在部分承包商施工隊將工藝容器內涂層視作外油漆進行施工的情況。

2 工藝容器內涂層的選擇

工藝容器內高分子涂層應依據不同的介質、工作溫度和壓力進行選擇。涂料的種類應根據所要達到的性能進行調整，沒有一種涂料可以適用于所有工況。對于新型涂料，應要求廠家出具獨立測試報告和第三方檢驗機構報告，結合以往實際使用效果和業績或者先進行試片測試，以確定其性能。

工藝容器在使用過程中會遇到氣相、氣液相、液相三相不同浸泡環境浸泡和腐蝕，以及高溫、高壓、急減壓、腐蝕磨損、冷墻等多種苛刻的工況。氣相、氣液相、液相3 種不同相位，分別對應干熱、濕熱和浸泡3 種工況，不同腐蝕工況下，涂層失效大多出現在氣液相界面，因此需要綜合考慮3 種相位情況。圖2 為國內某石油公司工藝容器內涂層失效案例，由圖可以看出，在氣液相區域涂層失效，其他區域涂層完好。

圖2 原油分離某工藝容器內部圖

2.1 耐腐蝕性能和耐冷墻效應

國際石油公司常用的測試方法依據是NACE TM0174—2002，使用不同的介質在不同溫度、不同壓力下進行浸泡測試，以檢驗涂層在各種相位下的耐腐蝕性能和耐冷墻效應。圖3 為挪威國家石油公司測試的不同涂層的浸泡效果。

圖3 涂層浸泡測試失效圖

一些特殊的工藝容器（如放空分離器、火炬分液罐等）在生產過程中需要介入放空操作，導致工藝容器內的溫度和壓力急劇大幅降低，出現負壓和零下低溫工況。工藝容器內的介質在溫度和壓力的作用下，小分子量介質和離子會有部分穿透涂層，尤其是溶劑型涂層，因溶劑揮發后會在涂層內留下毛細孔，更容易導致工藝容器內介質滲透涂層，若容器沒有保溫，在冷墻作用下，會加速滲透，并且最終與工藝容器內的壓力平衡。當出現放空操作時，容器內的壓力急劇降低，而殘留在涂層內的介質壓力不能瞬間釋放，導致出現壓差，若此時涂層粘接力不夠，則會在壓差作用下大面積脫落。

圖4 為國內某放空分離器由于放空操作發生的涂層大面積脫落現象。

圖4 某放空設備涂層脫落

2.2 急速和慢速減壓測試

針對放空工況的工藝容器，國際石油公司常用的測試方法依據為NACE TM0185。圖5 為挪威國家石油公司測試不同類型涂層在不同溫度和壓力浸泡環境下，進行極速和慢速減壓測試的結果。由圖5 可知，不同類型涂層，在相同工況下，測試結果大相徑庭，因此在有放空操作的工藝容器選擇內涂層時，要重點考慮涂層的粘接性能，涂層是否含有揮發性溶劑，涂層是否有類似工況的急減壓測試或類似的成功業績。

圖5 挪威國家石油公司測試不同涂層的結果

2.3 耐磨損性能

工藝容器中介質流體夾帶顆粒，在高壓作用下，高速沖擊涂層，對涂層耐磨性能是一種考驗，如涂層耐磨性能達不到要求，很快就會被磨損消耗，失去對工藝容器的保護作用。國際常規的測試標準為泰伯測試，但泰伯測試并不能完全模擬實際工藝容器生產過程中的沖擊磨損，僅能作為工藝容器內涂層選型的參考數據。國際石油公司通常采用高壓水夾帶顆粒沖擊涂層，模擬工藝容器內的工況，以測試涂層的實際耐磨性能。挪威石油公司，采用高壓水夾雜砂礫沖擊涂層以模擬現場工況。英國北海油田為測試平臺上分離器內涂層的耐磨性能，將涂層測試板浸泡在85 ℃的鹽水中，表面堆積滿砂礫，采用1 500 psi （1 psi=6.895 kPa）高壓水沖擊涂層，連續56 h 沖擊以模擬現場分離器使用2 年的情況（圖6）。

圖6 英國北海油田涂層耐磨性測試

由此可知，磨損工況工藝容器內涂層的選型，應重視涂層的實際耐磨性能，要求涂層具有模擬現場實際工況的磨損測試報告，或類似工況的成功應用案例，泰伯測試和國際石油公司高壓水帶顆粒測試僅能作為參考。此類涂層在設計初期，可以通過涂層內部填料結構進行判斷，根據經驗，涂層體系內有碳化硅、氧化鋁粉及硅微粉等填料的耐磨性能較好，但也需要同時考慮涂層的穿透阻隔性能等。

3 實際應用情況

國內將高分子涂層應用于酸性油氣田始于川渝地區，使用經驗為我國在其他國家和地區針對高含硫項目的涂層選擇提供了借鑒。石油開采過程包括油水的分離，分離器設備運行的工況條件苛刻，不僅操作溫度高、壓力高，而且腐蝕性和酸性介質含量高，傳統的抗化學腐蝕涂層無法滿足條件。采用抗高溫的耐腐蝕高分子涂層產品進行保護，可應對腐蝕工況，延長設備的使用壽命。海外油田整裝項目，如魯邁拉油田脫氣、脫水、電脫鹽設備、米桑油田的分離器、分液罐及閉排罐等均采用碳鋼加高分子涂層技術，適用于采油生產工況，可保護工藝容器、大幅降低投資成本，尤其是總包項目，具有明顯的優勢。

表1 為某伊拉克酸性天然氣項目，使用碳鋼+高質量的涂層與復合板材的價格對比［12～16］。由表中數據可見，碳鋼加高分子涂層技術投資成本較低。

表1 伊拉克某項目重點設備采用碳鋼+Belzona涂層和復合板的價格對比

在含有硫化氫的工況中，工藝容器罐壁容易發生氫脆，具體與操作溫度、氫的分壓、作用時間與鋼的化學成分有關。溫度越高、氫分壓越高，碳鋼的氫脆層就越深［17］。如合成氨生產過程中的脫硫塔，近幾年石化企業針對脫硫塔的腐蝕修復嘗試了多種方法，更換內襯、焊接不銹鋼板等均不能提供長期解決方案。

2017 年湖南某石化工廠應用耐腐蝕高分子涂層進行脫硫塔防腐，使用一年后運行良好，打開檢修發現涂層整體完好。案例分享后，各地多家化工廠脫硫塔和綜合塔選擇通過改進脫硫塔工藝結合應用高分子涂層的長期解決方案進行保護，以延長設備的使用壽命，減少維修次數和成本，提高化工生產的安全性。

國內安岳氣田磨溪區塊某處理廠的設備中含H2S、Cl-及CO2等腐蝕性介質，溫度高，工況環境惡劣，選用陶瓷金屬涂料對工藝容器內部進行防腐，該陶瓷金屬涂料是一種高分子聚合涂料，采用先進技術將不同金屬、非金屬填料和改性環氧樹脂進行聚合，具有耐磨、耐高溫、抗急減壓、產品不含揮發性有機化合物（VOC）、施工安全環保的特點［18，19］。

海洋石油平臺上的設備使用環境濕度大、Cl-含量高，平臺上分離器、閉排罐、開排罐腐蝕嚴重，高分子涂層可用于應對此類腐蝕。與此同時，海上平臺濕度高，施工時應格外注意，可利用除濕機控制濕度。

4 發展前景

根據國家基金委2022 年提出的重點材料研究方向，可以在現有的填料技術基礎上使用雜化樹脂技術，通過技術革新來解決現有涂層的局限性；在國外的雜化涂層研究領域，已經可以做到雜化涂層耐有機酸介質，二氯甲烷，二甲基亞砜，包括耐高濃度的硫化氫和高鹽水工況，也為我國以后的技術發展提供了思路，通過一些比較好的檢測手段，可以在施工過程中檢測涂層是否出現缺陷，降低檢修強度，提高涂層的施工質量［20］，在這些方面，還是有很大的提升空間。

5 結束語

高分子涂層在工藝容器上所能發揮的作用非常大，在應對高含H2S、高含CO2等惡劣工況時表現出優異的性能，可提供長期解決方案，大幅節省項目前期投資。但是涂層的選型和施工對工藝容器的保護至關重要，故選用前，涂料廠家應具有長周期的實際成功應用業績證明，各項獨立測試報告以及第三方機構檢測報告。同時，涂層的施工質量是保證腐蝕控制的重要因素，需高度重視施工的質量控制。