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油田集输管线腐蚀机理及防护涂层研究

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张津波冯雪浦贾盛伟李雯雯

[导读] 摘要：世界各国对能源的需求日益增多，目前石油、天然气仍然是人类生产、生活所需的主要能源，因此，相关的石油天然气勘探开采技术的发展显得尤为重要。在油田开采及油气输送过程的设备、管线等主要以金属材料为主，不可避免地会发生腐蚀。严重的腐蚀破坏不但造成了巨大的经济损失，同时对环境也造成了严重的污染，已经成为制约油气田开发的一个重要因素。

        天津市大港油田公司第三采油厂
        摘要：世界各国对能源的需求日益增多，目前石油、天然气仍然是人类生产、生活所需的主要能源，因此，相关的石油天然气勘探开采技术的发展显得尤为重要。在油田开采及油气输送过程的设备、管线等主要以金属材料为主，不可避免地会发生腐蚀。严重的腐蚀破坏不但造成了巨大的经济损失，同时对环境也造成了严重的污染，已经成为制约油气田开发的一个重要因素。而近年来大部分油田已进入开发中后期，油气开采的环境越来越恶劣，使得原油开采中的腐蚀现象越来越严重。
        关键词：集输管线；腐蚀；防腐涂层
        引言
        油气田所开采出来的油气资源目前主要是通过管线进行运输，据统计，世界上原油运输的85%，天然气输送的100%都由管线完成。因而腐蚀问题一直是地面集输管网系统面临的一大难题，是影响管线、设备完整性的主要潜在因素之一。所以对油气田油气管线的腐蚀机理和防腐蚀技术的研究显得十分重要。油气田集输管线的腐蚀主要以内腐蚀和外腐蚀为主。
        1 油田集输管线的腐蚀机理
        1.1 溶解氧
        造成油气田腐蚀的重要原因之一就是溶解氧。氧在腐蚀反应中是一种去极化剂，可以促进金属的腐蚀过程的发生。采出水中溶解氧含量不同，对金属腐蚀的影响也不同。在氧含量高的情况下，将使腐蚀电流增大，但如果增大到致钝电流时，金属表面将形成钝化膜而使金属钝化，减缓其腐蚀。在氧含量较低的情况下，由于具有保护性氧化膜很难形成，所以随着溶解氧浓度的增大，氧极限扩散电流也将增大，致使氧离子化反应的速度增加，金属的腐蚀速度增大。
        1.2 微生物腐蚀
        油气田中具有腐蚀作用的细菌的主要有硫酸盐还原菌（SRB）、腐生菌（TGB）、铁细菌（FB），均是厌氧菌类细菌，当它们在油气井采出液，污水等环境中大量存在时，油田钢铁设备将会产生严重腐蚀，其中SRB所导致的腐蚀问题最严重，研究也最多。已提出的腐蚀机理主要有阴极去极化和浓差电池理论等几种，其中较为认同的是阴极去极化理论，这一理论最早由Kuhr等在1934年提出。理论认为在缺氧情况下，附着在钢铁设备表面的SRB将产生去极化作用，使溶液中SO42-氧化吸氢，使材料的腐蚀速度提高。
        1.3 离子腐蚀
        一般情况下，油气田开发过程所产生的水的矿化度比较高，对钢铁造成的腐蚀比较严重。其中比较常见的离子主要有Cl-，Ca2+，Mg2+，SO42+等。一般来讲，金属在盐水中的腐蚀属于氧去极化腐蚀，随着水中矿化度的不断增加，无机盐离子增加了电导率，加速了腐蚀反应。随着氧的溶解度不断减小，水中矿化度趋于稳定后，腐蚀速率成降低趋势。碱性盐的溶液中，碱性盐发生水解反应产生的OH-离子使水中pH值趋于升高，腐蚀速率处于降低趋势。溶液中含有Cl-时，它不但能够阻止金属表面形成钝化膜，还会加速破坏已形成的钝化膜，最终导致金属发生局部腐蚀。此外，Cl-还可以使水溶液中CO含量降低，使腐蚀速率降低。

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许多报道详细研究了Cl-、SO42-对锈层的结构、成分及金属腐蚀速度的影响。
        2 集输管线防护涂层
        2.1 活性树脂对液态修复涂层的影响
        涂层在基材表面的界面粘接性能决定涂层的附着力和使用寿命。液态修复涂料的主要成分是树脂（环氧树脂、聚氨酯树脂）。环氧树脂具有优异的界面容忍性、良好的物理机械性能，较高的界面粘接性能和耐腐蚀性能，但环氧树脂固化速度相对较低，固化后漆膜的脆性高。聚氨酯树脂具有粘接性能好、耐磨性好、机械强韧性可调等优点，但聚氨酯树脂的防腐蚀能力弱于环氧树脂。如果将环氧树脂和聚氨酯树脂复合配至涂料中，综合两种树脂的各自特点，在涂料涂装固化后形成两种树脂的互穿网络结构（IPN），IPN结构中的聚氨酯树脂赋予涂层高的附着力和机械强韧性，而环氧树脂赋予涂层防腐蚀的性能。可见，获得这种IPN结构的涂层体系，从而改善对管线上涂层破损部位的有效修复。
        利用IPN互穿型网络结构方法是把两种或两种以上不同材料在结构上相互贯穿融合，功能上尽量保留不同材料的优点，剔除各材料的缺点，并生成一种新材料聚合物来满足实践需求，其作用是强迫包容和协同效应。采用IPN互穿型网络结构法使环氧树脂改性可以改善环氧树脂的韧性和协同效应。A.Anand Parbu等分别选用改性剂、交联剂和催化剂为端羟基聚二甲基硅氧烷和聚氨酷、γ-氨丙基三乙氧基硅氧烷和二丁基二月桂酸锡，在它们的相互反应下生成了环氧互穿型涂层材料，这种涂层材料具有抗机械冲击性能高，耐腐蚀、耐水浸等特点。
        2.2 填料对液态修复涂料的影响
        由于涂层的强韧性是表征其力学性能的重要指标。涂层强韧性的好坏直接关系到涂层对基体的保护性能。因此对涂层进行拉伸实验来表征填料对树脂的增韧作用以及界面状态对涂层强韧性的影响。
        在材料拉伸变形时，首先经过的是弹性变形阶段，此时聚合物的形变主要来自于高分子链段的键长与键角的变化，应力去除后，形变可以迅速恢复；之后涂层的应力出现了极大值，这时的强度称为屈服强度；经过屈服点之后，应力反而开始下降，直至涂层发生了断裂，但断裂前没有出现应变软化现象，即高分子材料在屈服后的强迫高弹形变阶段，涂层的力学性能整体表现为硬而脆的特性。从图中可以看出，添加纳米二氧化硅的环氧涂层的拉伸断裂强度和伸长率均显著高于环氧清漆，而添加键合纳米二氧化硅的环氧涂层相比添加原始纳米二氧化硅的环氧涂层有更好的增韧效果。
        3 结束语
        本文通过对油田的集输管线的研究，分析了油田集输管线腐蚀机理；采用添加活性树脂及键合填料制备液态修复涂料，并对防护性能及机理进行研究。
        参考文献：
        [1]郭学辉,周生杰,杜素珍等.油气田中几种常见的腐蚀机理[J].辽宁化工,2014,43(1):52-55.
        [2]卓苗,郭继香.油气田集输系统腐蚀现状及内腐蚀原因分析[J].辽宁化工,2016,45(6):764-766.