乙烯基脂玻璃鳞片涂层在S31603钢板表面附着力的研究与应用.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯乙烯基脂玻璃鳞片涂层在S31603钢板表面附着力的研究与应用陈庆虎(中海石油(中国)有限公司海南分公司 海南海口 570312)摘要：乙烯基酯玻璃鳞片是一种适用于恶劣工况的常用涂层材料，广泛用于海上油田碳钢分离器和管道的防腐。国内没有在不锈钢上使用乙烯基酯树脂涂层材料的先例，缺少乙烯基酯玻璃鳞片涂层在S31603材料的黏合力数据。该文以英国Corrocoat公司CorroThane XT涂料为例，研究了乙烯基酯聚氨酯玻璃鳞片涂料在S31603钢板表面的黏连性能，并成功应用于南海EP油田油气分离器罐3 mm厚度S31603衬层修复。该文介绍了S31603基材试板CorroThane XT涂层的测试方案，包括试板预制、模拟容器罐温升试验、附着力拉拔测试等相关的过程，研究了分离器内部CorroThane XT涂覆工艺和跟踪修复效果，提出了海上油气分离器内防腐修复的新方法，可在船舶和管道内防腐领域推广应用。关键词：乙烯基脂玻璃鳞片 涂料 内防腐 附着力测试中图分类号：TQ63文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0166-07Study and Application of Adhesion of Vinyl Ester Glass Flake on S31603 Steel Plate SurfaceCHEN Qinghu(Hainan Branch,CNOOC(China)Co.,Ltd.,Haikou,Hainan Province,570312 China)Abstract:Vinyl-ester glass flake is a common coating material for aggressive service conditions,which is widely used for anti-corrosion of carbon steel separators and pipelines on offshore oil fields.There is no precedent of using vinyl-ester resin coating materials on stainless steel in China,and in particular there is no adhesion data of vinyl-ester glass flake coating on S31603 steel plate.This paper takes CorroThane XT coating of British Corrocoat Company as an example to study the adhesion performance of vinyl ester polyurethane glass flake coating on the surface of S31603 steel plate,and successfully applies it to the repair of S31603 cladding with 3mm thickness of oil and gas separator tank on EP Oilfield in the South China Sea.This article introduces the testing scheme of the CorroThane XT coating on S31603 base material test panel,including the test panel prefabrication,temperature rise test of simulated vessels and tanks,adhesion pull test and other related processes,studies the internal CorroThane XT coating process in the field separator and tracks the repair effect,and puts forward a new method for the internal anti-corrosion repair of offshore oil-gas separators,which can be popularized and applied in the field of internal anti-corrosion of ships and pipelines.Key Words:Vinyl-ester glass flake;Paint;Internal anti-corrosion;Adhesion testDOI：10.16661/ki.1672-3791.2212-5042-4142作者简介：陈庆虎（1970），男，本科，工程师，研究方向为海洋油气开发。166SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION南海 EP 油田卧式分离器罐直径为 4 m，长度为17.506 m，总容量为206.7 m3。设计压力和温度为1 800 kPa/128，工作压力和温度为7501 350 kPa/6598。罐体钢板Q345R的厚度为28 mm，内衬层S31603厚度为3 mm。在投产两个月后，分离器罐闭排接管焊缝位置腐蚀刺破。开罐发现S31603衬层多处穿孔；Q345R钢板上有较多凹孔，凹孔最大直径为14.58 mm，最大深度为11.01 mm。HZ油田一级分离器罐S31603衬层穿孔和层下钢板点坑腐蚀。具体如图1和图2所示。金属材料在有水环境中电化学性质的腐蚀过程是金属失去自身电子氧化作用的过程，这些失去的电子会被材料所接触的氧和水形成的还原反应消耗掉1。为此，确立EP分离器和HZ一级分离器总体修复方案，按照修旧如旧的原则完成分离器Q345R钢板与S31603衬层点坑缺陷焊接，然后在S31603衬层表面涂覆高温涂料阻隔生产水引起的电化学反应。分离器Q345R钢板与S31603衬层点坑缺陷焊接修复后，在S31603衬层表面涂覆500 m厚度的西美克CK-2000陶瓷涂层，经试用3个月失效，如图3所示。鉴于国内海洋石油重防腐涂料品种非常少，应用范围也比较小，国内重防腐涂料的发展时间短，各方面技术不成熟，缺乏核心技术，产品质量相对较低，无法切实满足各方面发展要求，为此启动乙烯基酯玻璃鳞片涂层的深入研究，首开国内外将乙烯基酯玻璃鳞片在S31603表面应用的先例2。获取乙烯基酯玻璃鳞片涂层在S31603钢板上的附着力数据，验证乙烯基酯涂层在高温油气介质环境的可行性，成为修复分离器防腐层的关键。1 内涂层选型研究油气物性是防腐方案的基础性条件，尤其是高矿化度的生产水极大地提高了其与金属之间的电化学反应，增加了对金属构件的腐蚀速率3。EP油田生产水物性参数和油气介质组分参数分别见表1和表2。EP油田现场检测发现单井H2S含量和CO2含量异常，下游HYSY118 FPSO实测CO2含量和H2S含量，证实该流程确实存在CO2和H2S酸性气体，具体分别见表3和表4。EP 油田分离器设计温度为 128 oC，温度每提高10 oC，电化学反的速率提高13倍4。结合现场检测发现CO2和H2S事件，开展涂料选型（见表5）。结合西美克CK-2000陶瓷涂层在不锈钢衬层表面失效现象、EP油气呈现酸性气体性质以及设计温度要求，选定英国Corrocoat公司CorroThaneXT乙烯基脂玻璃鳞片涂料开展有关实验，并对比西美克CK-2000陶瓷涂层测试效果。图3 HZ油田一级分离器衬层表面CK-2000陶瓷涂层脱落图1 EP分离器31603内衬层点坑腐蚀图2 HZ一级分离器S31603内衬层点坑腐蚀167SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2 S31603基材涂层试验实验用CorroThane XT试板，模拟储罐进料温度升高过程和储罐恒温过程，检查S31603材质涂层试板的涂层表面变化、涂层厚度、涂层孔隙率和涂层缺陷，获得了CorroThane XT涂层在S31603材料表面的实测拉拔力数据。2.1 S31603基材试板制作S31603材质试板共计32个样品，长度宽度为150 mm100 mm，其中 3 mm厚度样品28个，6 mm厚度样品4个。为了模拟分离器罐内壁的圆弧结构，将S31603基材试板弯曲成弧形，预制弯曲弧度为2。对S31603试板进行标记，将32个试板分为A组和B组，每组16块。每组分为两组，每组8块，每组分别标记在试板背面。将机油均匀地涂在A组试验板表面放置2 h，B组试板不做机油污染处理；A、B两组试板分别用石英砂和铜矿砂喷砂处理，要求试板表面粗糙度大于75 m（见图4）；喷砂处理后的试板涂覆800 m和1 200 m涂层，涂层固化成膜。将机油均匀涂覆在A组试板表面静置2 h，B组试板未进行油污染处理；A组和B组的试验板分别用石英砂和铜矿砂喷砂处理。试板表面粗糙度按照规范大于75 m（见图4）。喷砂后，分别涂覆800 m和1 200 m的CorroThane XT涂层，待其固化，完成试板预制，共计A1N、A1K、A2N、A2K和B1N、B1K、B2N、B2K 8组32个试板，具体见表6。2.2 模拟分离器温升适应性试验海上平台油气分离器在投用时，随着油气水生产介质进入分离器容器罐，罐体下部沉浸在液相中，罐体上部被气体填充，罐体各个部位通常在两个小时内达表3 EP油田单井H2S含量和CO2含量检测记录表井口位号A01A02A03A04A05A06A07A08A09A10A11A12A13A14A15A16A17H2S（ppm）测试分离器气出口第一次2.83.02.52.42.42.02.32.53.02.41.61.53.03.01.01.02.5第二次3.02.52.22.53.02.32.32.52.62.01.61.32.83.01.01.02.0CO2含量（%）测试分离器气出口第一次25.025.028.028.025.028.020.016.018.025.020.019.013.517.013.57.55.0第二次30.028.030.035.031.032.027.020.020.028.020.025.010.022.012.07.55.0 表2 EP油田油气介质组分表 （单位：%）组分CO2N2C1C2C3iC4C4iC5C5C6C7C8C9C10C11闪蒸油000.120.130.390.290.390.54.710.945.526.388.699.7362.17闪蒸气24.982.9954.089.384.751.331.020.40.260.350.310.110.0400井口流体1.70.23.80.760.480.360.430.494.410.95.175.968.19.0757.94表1 EP油田生产水物性参数表检测项pH25 相对比重25 电导率Ca2+Mg2+Fe2+Ba2+Na+K+Cl-SO42-HCO3-CO32-HO-检测样本18.251.043 180.92533051.609 49013 89627 5042 999-0检测样本2-1.035 5-1452070.206 93812 40021 8142 767-0168SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION到正常生产温度。为此模拟分离器投用的初始状态，用试板开展气相温升试验和油浴温升试验，检查试板表面涂层变化。2.2.1 空气相干态加热从8组中的每一组中取2块试板，共16块试板放入烘箱中缓慢加热至100 （加热时间控制在120 min），并保持100 的恒定温度120 min（见图5）；每个组合中随机抽取一个样本，共8个试板备用；剩余的8个试板在烘箱中缓慢加热至140 （加热时间不得少于30 min），然后恒温持续120 min之后取出备用。2.2.2 机油浸泡试验将8组16块未在烘箱中加热的试验板在常温下浸泡在发动机油中，将发动机油缓慢加热至90100（加热时间控制在120 min）。停止加热，让机油自然冷却。24 h后，每组取出一块试板供以后使用，共8块试板；浸泡48 h后，取下剩余的8块测试板以备以后使用（见图6）。对全部16个经过烘箱加热的试板和16个经过机油加温浸泡的试板，观察涂层表面颜色变化、涂层与基材之间的裂纹和剥离现象检查与涂层厚度检查对比。全部32个试板通过检查，未发现涂层厚度减小。经电表5 高温容器罐涂层比选研究涂层属性双酚环氧树脂陶瓷涂料陶瓷涂料玻璃鳞片涂料乙烯基脂玻璃鳞片涂料涂料型号百安百NPS8103爱托AM-C-O西美克CK-2000CORROCOAT VEFCorroThaneXTpH 8.5VVVVV高温128-VV-V设计压力1 350 kPaVVVVVCO2含量34%MOLVVVVVH2S含量130 ppmVVVVV图4 喷砂试板表面粗糙度检查表4 HYSY 118 FPSO H2S含量和CO2含量检测记录表检测指标CO2CO2CO2CO2H2SH2SH2S检测位置HYSY118一级分离器出口HYSY118一级分离器出口HYSY118二级分离器出口HYSY118火炬分液罐出口HYSY118一级分离器出口HYSY118二级分离器出口HYSY118火炬分液罐出口检测数据28.69 MOL%25 MOL%27 MOL%22.5 MOL%60 ppm130 ppm70 ppm检测日期2015-12-192015-12-202015-12-202015-12-202015-12-202015-12-202015-12-20169SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯火花测试后，所有32个测试板上均未发现涂层孔和气孔，符合标准试板的要求。西美克CK-2000涂料试板经过机油浸泡加温、并保持恒温状态2 h、静置24 h后取出，试板涂层出现开裂和脱落，与海上平台分离器S31603内衬层表面CK-2000涂层开裂脱落现象一致，如图7所示。2.3 涂层附着力测试与分析标记为A2K的15号试板，基材厚度为3 mm，其表面被油污染，用铜矿砂喷砂处理，乙烯基酯涂层厚度为 1 200 m，未经历烤箱加热，在发动机油中加热至90，油浴浸泡24 h。采用该试板演示了试板样品的表6 S31603基材CorroThane XT涂层试板表序号A1NA1K-1A1K-2A2NA2K-1A2K-2B1N-1B1N-2B1KB2N-1B2N-2B2K试板厚度/mm336336363363基材油膜处理有油膜有油膜有油膜有油膜有油膜有油膜无油膜无油膜无油膜无油膜无油膜无油膜打砂磨料石英砂石英砂石英砂铜矿砂铜矿砂铜矿砂石英砂石英砂石英砂铜矿砂铜矿砂铜矿砂涂层厚度/m8001 2001 2008001 2001 2008008001 2008008001 200试板数量431431314314图5 试板进入烤箱加温图6 试板机油浸泡与加温图7 西美克CK-2000涂料试板油浴温变后开裂170SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 能 源 与 环 境科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION图8 S31603基材试板CorroThane XT涂层涂层附着力数据记录制作与处理流程，包括试板表面石英砂喷砂作业、盐检查、粗糙度检查、多组分搅拌和现场涂层涂覆作业、涂层干燥固化、干燥表面硬度检查、涂层空气相加温破坏试验等内容。对15号试板涂层使用地质角锤敲击涂层进行冲击试验，涂层表面被削掉，撞击区域的面积小于锤子尖角的面积，涂层表面和断裂外部的基底未发现裂纹，表明了乙烯基脂材料具有良好的抗冲击性能和耐开裂性能5。对其他31块试板进行拉拔，获得S31603基材试板CorroThane XT涂层附着力拉拔数据，具体如图8所示。图8附着力拉拔数据显示，3 mm厚度试板涂层附着力拉拔数据普遍较小，仅有031、032两片试板涂层附着力拉拔数据达到10 MPa以上，满足行业标准的要求。Corrocoat公司评估试板预制成2度弯曲形变、腚子黏连挤压过程和腚子拉拔反方向形变过程，影响了附着力拉拔数据的真实性。6 mm厚度试板涂层附着力拉拔数据达到10 MPa，满足行业标准的要求，并且在空气相加热、油加热和浸泡以及自然冷却后均表现出良好的黏连性能。附着力拉拔作业中，6 mm厚度试板形变明显小于3 mm厚度试板形变，其实测附着力拉拔数据更能真实反映CorroThaneXT涂层的黏连性能。3 现场应用3.1 施工工艺研究EP油田分离器内部去除S31603内衬层表面的西美克CK-2000陶瓷涂层残余处理干净后，选用CorroThaneXT涂层涂覆，涂层厚度为2 200 m，最大厚度为3 000 m。一旦涂层厚度超出3 000 m，可用稀释剂将超出厚度要求的涂层材料消融处理。涂层厚度过大会浪费材料，增加施工量，延长薄膜干透时间。容器在喷砂处理后4 h内涂底漆，以避免表面再次氧化；对局部拐角或喷嘴位置无法喷涂或喷涂厚度无法有效控制的，需要手动喷涂；第一次喷涂厚度或手动预涂层为8001 000 m。每次喷涂操作后检查干膜厚度，须在涂层整个表面固化后及时检测涂层的总厚度。在20 下，涂层固化等待时间约为2 h。经过2次或者3次喷涂后，涂层总厚度应达到2 200 m。涂料稀释剂在湿度较大的环境中延缓了涂层干燥成膜，为了避免因储罐内湿度过大迟缓涂层固化成膜，应使用强制通风，并将储罐内的相对湿度控制在75%以下。金属表面CorroThane XT涂层在表面除盐处理、打砂粗糙度、涂层厚度检测、附着力检测、高压火花检测等方面的表面处理要求与其他常规重型涂层非常相171SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯能 源 与 环 境 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯似，并根据制造商的规范进行。尽管在验证过程中进行了附着力试验，但与所有涂层一样，在表面喷涂作业前，需要按照标准做法对基材表面进行完全净化6-7。3.2 现场应用情况修复投用5个月后，HZ油田一级分离器开罐检验，罐体内涂层整体结构良好，无脱落、无起泡现象，罐体结构边缘涂层效果和应力集中非常好。对比5个月前测得的涂层厚度和附着力数据，现场实测涂层厚度和涂层附着力数据无变化，如图9所示。目前,CorroThane XT涂层在EP分离器和HZ一级分离器应用已超过5年，情况良好，未出现防腐涂层失效。CorroThane XT涂层耐磨性可能低于陶瓷填充金属陶瓷涂层，尽管到目前为止还没有收集到乙烯基脂玻璃鳞片涂层被砂砾严重磨损的现象。在油气介质含砂量较高的情况下，应利用定期开罐检查分离器内部状态的机会，对容器内涂层厚度进行检测，以评估磨损程度8-9。4 结语乙烯基脂玻璃鳞片涂层 CorroThane XT 涂层在S31603材料表面具有良好的附着力，能够达到一般性涂层在碳钢表面的附着力，满足用于S31603表面涂层的要求；CorroThane XT涂层能够适应高温油气介质，经历140 温升变化后涂层不开裂、不脱落，具有良好的附着力。乙烯基脂玻璃鳞片涂层CorroThane XT涂层能够适应高氯和含酸性气体的油气介质，有效防止油气分离器储罐S31603不锈钢在酸性气体环境中点坑腐蚀，可在海上平台工艺设备S31603衬里修复方案中推广应用，为海上油气生产提供持久的保护层。参考文献1 吴珏斐.金属防腐技术研究J.世界有色金属,2021(15):190-191.2 赵秀宁.海洋工程装备重防腐涂料应用分析J.天津化工,2022,36(5):69-71.3 蔡峰.油田污水腐蚀影响因素研究J.大科技,2019(20):125-126.4 张楠革,顾锡奎,闫静,等.环氧类内涂层在酸性气田集输管道适用条件探究J.石油与天然气化工,2020,49(2):58-62,8.5 何洋,梁国正,黄艳,等.乙烯基酯树脂的研究进展J.绝缘材料,2003(6):41-46.6 田竹伟,詹永芳,李连文.乙烯基防腐涂料特性及其施工工艺探究J.城市建设理论研究(电子版),2016(4):573.7 张银亮.乙烯基树脂防腐工程施工技术研究J.建材与装饰,2018(30):7-8.8 崔焱茗,张立,黄龙,等.原料中C/N原子比对TiCN基金属陶瓷组织结构和性能的影响J.粉末冶金材料科学与工程,2020,25(1):58-64.9 陈勇,喻友均,胡世豪,等.提升容器本质安全的容器内防腐管理J.全面腐蚀控制,2022,36(10):94-96.图9 HZ油田一级分离器CorroThane XT涂层厚度复查172