腐蚀现象是国民经济和国防建设各个部门普遍存在的问题, 腐蚀造成的巨大经济损失, 在几个工业发达国家, 每年由于腐蚀造成的直接损失约占其国民生产总值的1%～ 4% , 间接损失更是难以估量[1 ]。涂料涂装防腐蚀技术长久以来作为简单方便的防腐蚀方法, 在国民经济中扮演着十分重要的角色[2 ]。
随着我国石油工业的发展, 相关行业的腐蚀问题也越来越严重中国机械网okmao.com。使用防腐蚀涂料的防腐蚀措施在石油工业中也得到广泛地应用。
1 涂料的防腐蚀原理
涂料涂层对基体金属的防腐蚀保护作用主要是基于以下原理实现的:
111 屏蔽作用
即通过涂覆漆膜把基体金属表面与环境分隔开来, 阻止或抑制水、氧和离子透过, 从而屏蔽了基体金属, 阻止形成腐蚀电池或抑制其活动。此外, 电绝缘性良好的漆膜还可以体现出电阻效应, 抑制腐蚀电池中阳极或阴极与溶液间离子移动。屏蔽作用是防腐蚀涂料发挥其防腐功效的主要原因。
112 颜料的钝化、缓蚀作用
即借助涂料中某些颜料改变金属表面性能, 使其金属表面钝化, 从而达到延缓腐蚀的目的。
113 电化学阴极保护作用
即通过电极电位比被其保护的金属更负的涂层, 在腐蚀电池中作为阳极而“牺牲”, 保护了阴极金属[3 ]。因此, 防腐蚀涂料必须满足以下基本要求: 一是涂层必须有良好的附着力和一定的机械强度, 以保证其能牢固地粘附在金属基体上, 并能承受在工作条件下的各种力的作用。二是涂层必须具有良好的耐蚀性能, 即对它所接触的腐蚀介质在物理和化学上都保持稳定。第三, 涂层必须具有较小的透气性和渗水性, 从而保证屏蔽作用的有效性[4 ]。
2 在石油开采中的应用
在石油开采过程中, 钻具和井下油套管所面临的腐蚀环境往往相当恶劣。特别是目前我国许多大油田进入高含水开发期, 而且新的开发井又以深井、超深井居多; 气田高含硫特征明显。这些条件对井下油套管造成极大的考验。应对复杂恶劣的井下环境,可以从材质方面入手, 如使用抗硫的管材等; 目前防腐蚀涂料的使用也受到了重视。塔里木油田、冀东油田、长庆油田和华北油田等多个大油田均已开始在井下使用重防腐涂层, 效果显著。如长庆油田在数千米井下使用DPC 涂层, 发现其抗硫化氢和二氧化碳腐蚀能力较强, 机械性能好, 特别是对丝扣完整性保护效果好[5 ]。塔里木油田开展了A TC2000T、AOC-2000J 涂料和3SB 扣内涂层普通油管代替进口的13Cr 油管的室内和现场试验, 结果表明具有可行性。如果这一代替措施可以推广开来, 将大大降低了开采成本和对进口13Cr 油管的依赖程度[6 ]。用于井下的涂料最关键的性能指标是耐高温性能。国内在井下温度200℃以下时, 主要以改性酚醛,环氧酚醛系列涂料为主, 如ACT 2000 系列、三层复合内涂层等。如果温度超过200℃, 就要使用改性有机硅系列涂料[2 ]。
3 在石油储运中的应用
石油和天然气从地下采出后就进入了储运阶段。储运是石油工业的中间环节, 其设备主要有管道和油气储罐。在此阶段实施防腐措施的特点是设备内外表面均要加以保护。管道使用内涂层的目的主要是隔绝输送介质对管内壁的侵蚀, 尤其是输送尚未经过净化处理的油气的管线。
这类涂层主要包括热塑和热固型环氧树脂、聚氨酯、玻璃鳞片防腐面漆和环氧底漆等[7 ]。长输管道使用内涂层除了防腐以外, 还起到减阻以提高输量节约成本的作用, 因此常称为内减阻涂料[2 ]。如由中国石油集团工程技术研究院研制开发的AW- 01 天然气管道减阻耐磨涂料, 在西气东输一线工程4000km 长的管线上应用了150t, 各项技术指标均达到检验要求[8, 9 ]。
长输管道一般埋地铺设, 因此沿线的土壤、水体等会对其外表面发生腐蚀作用。长输管道使用的外涂层主要有三层结构聚烯烃防腐层、溶解环氧粉末涂层以及聚氨酯沥青涂层等[2, 10 ]。其中聚氨酯沥青涂层为新发展的高效涂层, 弥补了环氧沥青涂膜发脆, 不能低温固化的缺陷, 具有综合性能好, 适应性强的特点[11 ]。
油气储罐作为国家战略储备的重要贮存设备,对其实施涂料防腐蚀措施时也是针对不同部位各有不同[12 ]。对罐外壁采用性能优良的耐工业大气、紫外线、化学物质的外防腐蚀涂料, 如环氧富锌涂料、环氧云铁涂料等。韩行勇等[13 ]研制了一种石油储罐外壁隔热防腐涂料体系, 用环氧富锌涂料底漆, 环氧云铁为中间漆, 面漆则采用丙烯酸聚氨酯类物质, 热反射率达75% , 可降低温度8～ 10℃。
中国石油集团上程技术研究院的解蓓蓓等[14 ]对高氯化聚乙烯涂层、丙烯酸聚氨酯涂层、常温固化型氟碳涂层进行了光老化、盐雾、酸碱浸泡表面能、耐沾污性等多种表面性能的测试评价, 发现常温固化型氟碳涂层综合性能优于高氯化聚乙烯涂层和丙烯酸聚氨酯涂层。使用常温固化型氟碳涂层相对可以减少维修重涂次数, 降低综合成本。对罐内壁采用性能优良的导静电防腐蚀涂料体系, 这一类涂料如海虹老人牌的无机富锌漆15700、防静电漆35700、87600 等[15 ]。对罐底则因所储存的油的种类不同还有所不同。
4 在石油加工炼制中的应用
石油和天然气由于所含成分的腐蚀性, 对常减压装置、冷换设备、重整加氢装置等加工炼制设备均有不同程度的腐蚀破坏, 如果不加以重视, 就会存在极大地安全隐患。各地炼厂使用的有机涂层主要有TH - 847、TH- 901 和漆酚钛涂料。而国外已开始尝试锌铝涂层技术[16 ]。莫少明等[17 ]报道了齐鲁石油化工公司胜利炼油厂使用环氧氨基涂料TH - 847 的情况, 可使水冷管束的使用寿命增加一倍。
而青岛石油化工厂在常减压塔塔顶空冷器上使用TH- 901 涂料, 在当时取得了72 万元ö年的经济效益。该涂料在催化重整装置上使用效果也很好[18, 19 ] , 。此外黄鑫[20 ]介绍了改性漆酚树脂在冷换设备防腐上的应用情况, 分析了使用改性漆酚树脂涂料的利弊。
5 石油工业中防腐蚀涂料的发展方向
随着我国石油工业的发展, 对防腐蚀涂料的性能要求更高。防腐涂料一方面应继续无毒(或低毒)、无污染、省能源、经济高效的方向发展; 另一方面又要配合石油工业提出的新要求, 由单一功能向多功能发展; 由低档次、短时效向高档次、长时效发展; 同时加强涂料施工性能和涂装工艺研究。此外, 还应该重视纳米技术[21 ]等高新技术的应用。
刘 畅1, 杨振声2
(1. 西南石油大学石油工程学院, 四川成都 610500; 2. 长庆油田分公司第一输油处, 陕西西安 710021)