具有高Tg的新型內部管道涂料系統

根據目前石油和天然氣運營商的鉆探環境，鉆探過程需要使用相當昂貴的金屬鉻合金，以避免高溫和高濃度H2S、CO2及其它氣體污染物所導致的腐蝕和故障。多年來，涂料一直作為成本較低的替代品而用于該行業。問題是，防腐性能最好的涂料無法用于高溫、高壓和含大量氣體污染物的環境中。本文探討的內容是一種新型內部管道涂料系統的開發和測試，該體系可承受高濃度H2S和CO2，甚至能承受高溫和高壓。

深層鉆探

全球石油和天然氣需求持續增長，人們不得不在更深的儲層中提取重油（這是過渡性質，非常規），這一類重油的特征包括較高的粘度和高硫含量。根據工程師和設計者的觀察，通過深層鉆探獲得的含硫原油（硫雜質含量大于0.5％）和高溫環境將加快管道的腐蝕速率，須采用價格很昂貴的金屬鉻合金，才能避免管道由于腐蝕而出現故障。

深層鉆探的問題不只是影響井下作業。重油在原油管道處于常溫時不易流動，因此管道工作溫度需急劇增加，才能便于輸送重油。由北美的阿爾伯塔?。幽么螅?、美國的墨西哥灣和阿拉斯加、墨西哥，南美的委內瑞拉、哥倫比亞和厄瓜多爾，中東的沙特阿拉伯、伊拉克、科威特和埃及等國家和地區的含硫原油生產商供應的大量新型原油，給冶金和腐蝕工程師造成了更多設計問題。因此對于能夠承受原油輸送過程中的高溫新型內部管道涂料系統需求量不斷攀升。該需求促使艾仕得涂料系統的研發團隊優先開發玻璃化轉變溫度（Tg）較高的新一代內部管道涂料。這些新型內部管道涂料具有良好的防腐蝕性能和機械性能，可確保井下設備和管道在較高工作溫度和環境中的完整性。

深層鉆探帶來的更多問題

1. 溫度

2. 地層中的流體壓力

3. 氣體污染物（H2S，CO2）

4. 微生物污染物

為了了解內部管道涂料系統在較高的工作溫度下會怎樣隨著時間逐漸分解，必須考慮幾項因素，例如該系統在其壽命期間所處的環境。然而，熔結環氧（FBE）涂料系統被成功運用的最關鍵特性在于其玻璃化轉變溫度Tg。Tg是指聚合物（涂料）由堅硬和具有脆性的固態，轉變為粘性或橡膠態時的溫度。達到或高于該溫度時，氧氣、水分和其他離子物質的滲透速率顯著增加，導致聚合物結構破裂，并最終導致涂料系統出現故障。

表1：對市場上采用的FBE涂料（C）與新產品進行比較。（*市售涂料）

由于目前諸多常用內部管道FBE 涂料系統的Tg 約為109℃（228°F），因此當環境溫度高于110℃（230°F）時，防腐涂料系統的選擇就產生了沖突。表1 對目前市售的FBE涂料（據稱能承受205℃或400°F 的高溫）與新開發的產品進行比較。

新型內部管道涂料系統的開發

當艾仕得開始研究和開發用于石油和天然氣市場的新型FBE內管涂料系統時，研究人員檢查了最終用戶的許多規格，以便通過最苛刻的加壓釜測試。JO Wafra的“Test Condition 4”被認為是最困難的測試環境。加壓釜試驗條件如下：

? 溫度：400±2°F（205±1℃）

? 時間：96 小時

? 壓力：755±10 psi

? 氣相：20％（20％ H2S，15％ CO2 和65％ CH4）

? 烴相：40％（甲苯/ 煤油，體積比為1:1）

? 水相：40％（25％ NaCl 溶液）。

接觸環境后，使用電化學阻抗光譜法評價涂料的阻隔性，并與未暴露于加壓釜環境的涂料樣品進行比較。將評價結果與市售產品加壓釜暴露試驗的結果進行比較。

結果匯總

圖1（涂層C）和圖2（艾仕得的實驗用涂料）包含進行加壓釜接觸試驗前后的涂層照片。艾仕得的新型涂料具有優異的粘附性，不起泡，不膨脹。而“涂層C”則與鋼制基料完全脫粘，無法進行進一步評價。

了解EIS測試

有機涂料通過將腐蝕環境與采用的鋼結構相隔離而提供腐蝕防護。涂料通常需具有良好的阻隔性能，才能提供良好的防護。因此，將涂料系統成功用于高溫之下的關鍵，在于水、離子、氣體和其他腐蝕劑的低滲透性。

現場經驗和實驗室研究已經表明，具有良好阻隔性的優質防護涂層具有較高電阻。

EIS目前是成熟的實驗室技術，可用于評估有機涂層腐蝕防護，這是因為采用EIS可同時測量接觸電解質而引發的涂層降解，以及涂層穿孔而導致基材腐蝕速率的變化情況。

測試時，將變頻交流電壓施加于樣品之上，從而能收集電化學反應信息。實驗期間，涂層電容將由于水的溶脹或吸收而變化。一般情況下，在水溶液中用工作電極、參考電極和反電極進行EIS。

如圖3所示，用Log Z表示涂層防腐性能，它會隨著阻抗增加而增加?？梢钥闯?，新型高性能涂層具有高阻抗，范圍為Log Z = 9~11。

加壓釜后的EIS結果

圖4給出了對艾仕得試驗用FBE進行加壓釜后的EIS 測試結果。通過評估EIS，艾仕得FBE涂層系統展現出良好的阻隔性能。艾仕得FBE 接觸加壓釜之前所測量的Log Z為11.09。接觸加壓釜后，在水相內觀察的Log Z為10.66，烴相內的Log Z為10.92，氣相內的Log Z 為10.84。Log Z 的這一輕微變化表明，新型艾克斯內部管道涂料即使暴露于高溫和高含量的油田氣體污染物之下，其阻隔性能也不會降低。

結論

接觸加壓釜的結果表明，玻璃化轉變溫度較低的FBE 涂料無法在高溫和高腐蝕性環境中，為昂貴的鋼材提供防護。溫度高于涂料Tg時，水、氣體和其它離子不可避免產生滲透。然而，新型艾仕得內部管道涂層系統（Tg 大于180℃）即使在最苛刻的環境中也能提供防護。

與高溫和高濃度氣體污染物相關的腐蝕問題，并不一定會限制工程師和設計者將昂貴的合金用于管道。不過從現在開始，這種可以解決石油和天然氣市場所面臨問題的新型涂料解決方案已經出現。