畢文軍,姜姝,張溪明,肖坷

（1.沈陽化工大學(xué),沈陽110142；2.遼河油田經(jīng)濟貿(mào)易置業(yè)總公司特石集輸站,盤錦124010）

目前我國已形成了十分龐大的油氣管道集輸網(wǎng),但油氣中大多含水分和一些腐蝕性很強的介質(zhì),使得輸油管網(wǎng)的管壁腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重,造成了巨大的經(jīng)濟損失［1-2］。為了能在最大程度上抑制腐蝕,減少事故的發(fā)生,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?］。采用適當(dāng)?shù)墓艿婪栏g涂層能夠解決這一問題。

由于加工方便、成型良好等原因,目前國內(nèi)主要采用有機涂層進行管道腐蝕防護,但有機涂層材料都存在一些不足［4］。有機涂層涂敷在金屬表面后,一方面溶劑揮發(fā)會產(chǎn)生很多針孔,另一方面高分子鏈結(jié)構(gòu)自身存在微間隙,這些都會給水、氧氣及其他腐蝕性離子形成擴散通道,從而引發(fā)涂層下金屬界面上的腐蝕。而且,有機涂層耐冷性和耐熱性較差,容易老化,這樣就會縮短管道的使用壽命［5-6］。

無機非金屬材料以其耐蝕、耐磨、耐溫以及耐老化等方面的優(yōu)勢逐漸引起了人們的注意,世界各國均將無機非金屬復(fù)合防腐蝕管道作為重點研究課題［7-8］。搪瓷涂層是無機涂層的一種,搪瓷是金屬制品與無機材料經(jīng)過特殊工藝加工構(gòu)成的金屬-玻璃體復(fù)合材料［9］。據(jù)相關(guān)資料［10-12］顯示,搪瓷的綜合防護性能是其他材料所不能比擬的。它可以耐除氫氟酸外各種濃度的有機酸和無機酸,也可以耐各種鹽,用搪瓷對管道進行防腐蝕,可以極大地提高管道的防腐蝕水平。

1 試驗

1.1 搪瓷復(fù)合管的制備

由于搪瓷釉料軟化溫度高（＞800℃）,成型條件要求高,工件易變形,使得搪瓷復(fù)合管的加工難度大,成本高,成品率低,傳統(tǒng)的搪瓷工藝方法存在涂覆不均勻、機械化程度低、加工長度受限等問題。在傳統(tǒng)的搪瓷涂搪工藝基礎(chǔ)上,研制了自動化程度高的涂搪工藝設(shè)備,改進了涂搪工藝方法,從而解決了這一系列問題。開發(fā)了一種吊燒天然氣加熱爐,保證了管道不變形,用于集輸?shù)某Ｒ?guī)管道均可加工成搪瓷復(fù)合管。

本工作開發(fā)了一種制造成本低、自動化程度高的搪瓷復(fù)合管的制造方法：

（1）無機釉料的混磨 按釉料∶水＝5∶3質(zhì)量比將無機釉料和水放入球磨機內(nèi)混磨30min后,備用。

（2）表面處理 采用中頻加熱方式對鋼管內(nèi)外壁除油脫脂,鋼管內(nèi)壁經(jīng)噴砂（丸）處理達到噴射或拋射除銹的Sa3級或手工和動力工具除銹的St3級要求。

（3）無機釉料的噴涂 采用無氣旋噴設(shè)備將步驟1制成的無機釉料噴至鋼管內(nèi)壁,通過搖勻裝置自動控制鋼管搖擺、旋轉(zhuǎn)以調(diào)整內(nèi)壁無機釉料的表面質(zhì)量。

（4）低溫烘干 利用懸掛鉤將內(nèi)壁涂有無機釉料的鋼管懸掛在行走線上,利用天然氣燒成爐余溫對無機釉料進行低溫烘干1～3h。

（5）燒成 將經(jīng)步驟4低溫烘干后的鋼管送入天然氣燒成爐內(nèi),經(jīng)800～900℃高溫?zé)?～20min后出爐。

（6）冷卻 室溫下自然冷卻。

重復(fù)（4）、（5）、（6）步驟。得到搪瓷涂層厚度為（200±20）μm的搪瓷復(fù)合管。

1.2 耐蝕性檢測

按有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和特定要求進行試驗來檢測搪瓷復(fù)合管的涂層結(jié)合性、耐油氣介質(zhì)適用性、耐酸性、耐堿性。

1.2.1 樣品制備

從生產(chǎn)的搪瓷復(fù)合管中隨機抽取四根,并切成12個方形作為本次試驗的樣品,其中尺寸分別為40mm×40mm×10mm和40mm×10mm×3mm。樣品情況如表1所示。

表1 樣品情況Tab.1 Condition of samples

1.2.2 涂層結(jié)合性能試驗

參考ASTM D 3359-2009e2,采用劃“×”法測試搪瓷涂層的附著力。標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種狀態(tài)供參考,其中5A級～3A為附著力可接受狀態(tài)。5A級：沒有脫落或脫皮；4A：沿刀痕有脫皮或脫落的痕跡；3A：刀痕兩邊都有缺口狀脫落達1.6mm；2A：刀痕兩邊都有缺口狀脫落達3.2mm；1A：膠帶下“×”區(qū)域內(nèi)大部分脫落；0A：脫落面積超過了“×”區(qū)域。

1.2.3 耐油氣介質(zhì)適用性試驗

模擬油氣田現(xiàn)場動態(tài)介質(zhì)環(huán)境（流速為1.0 m/s）,將三個平行試樣相互絕緣安裝在特制的試樣架上,置入高溫高壓釜后,確保浸入NaCl溶液液面以下。隨后通入各組分氣體,調(diào)整試驗溫度開始試驗。經(jīng)過一定的時間后,測試試樣的形貌變化、質(zhì)量變化及涂層附著力變化,以此表征樣品的耐油氣介質(zhì)適用性能。耐油氣介質(zhì)適用性評價條件見表2。

表2 搪瓷涂層樣品耐蝕性能試驗環(huán)境Tab.2 Evaluation conditions of corrosion resistance of enamel coating samples

1.2.4 耐酸性能試驗

參考BS 1344-3-1967,將掛片試樣浸泡在8%的硫酸溶液中168h（室溫）,測試樣品的質(zhì)量變化、形貌變化和附著力變化。

1.2.5 耐堿性能試驗

參考GB/T 9988-1988,將掛片試樣浸泡在4%氫氧化鈉溶液中煮沸5h,測試樣品的質(zhì)量變化、形貌變化和附著力變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)合性能

依照1.2.2節(jié)要求對搪瓷涂層平整試樣進行涂層附著力檢測。測試結(jié)果見表3,試樣測試前后的表面形貌見圖1。

表3 涂層結(jié)合性能檢測結(jié)果Tab.3 The test results of binding properties of coatings

圖1 搪瓷涂層平整試樣附著力試驗前后表面形貌Fig.1 The surface morphology of the enamel coating coupon before（a）and after（b）the adhesion test

2.2 耐油氣介質(zhì)適用性

依照1.2.3節(jié)要求對搪瓷涂層掛片試樣進行耐油氣介質(zhì)適用性評價。測試結(jié)果見表4,評價試驗前后掛片試樣的表面形貌見圖2。

表4 涂層耐油氣介質(zhì)適用性評價試驗結(jié)果Tab.4 The test results of oil and gas medium usability evaluation of coatings

圖2 搪瓷涂層掛片試樣耐油氣介質(zhì)適用性評價試驗前后表面形貌Fig.2 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the oil and gas medium usability evaluation test

搪瓷涂層掛片在模擬油氣田介質(zhì)（含H2S、CO2、Cl-）適用性評價后的重量基本無變化（表4）,涂層也并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖2）,試驗后涂層附著力同樣均為5A級,表明搪瓷復(fù)合管具有良好的油氣介質(zhì)適用性。

2.3 耐酸性能

依照1.2.4節(jié)要求對搪瓷涂層掛片試樣進行耐酸性能檢測。測試結(jié)果見表5,評價試驗前后掛片試樣的表面形貌見圖3。

表5 涂層耐酸性能試驗結(jié)果Tab.5 The test results of acid resistance

圖3 搪瓷涂層掛片試樣耐酸性能試驗前后表面形貌Fig.3 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the acid resistance test

搪瓷涂層掛片在8%硫酸溶液中浸泡168h后的質(zhì)量基本無變化（表5）,涂層并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖3）,試驗后涂層附著力同樣均為5A級,表明搪瓷復(fù)合管具有良好的耐酸性能。

2.4 耐堿性能

依照1.2.5節(jié)要求對搪瓷涂層掛片試樣進行耐堿性能檢測。測試結(jié)果見表6,評價試驗前后掛片試樣的表面形貌見圖4。

表6 涂層耐堿性能試驗結(jié)果Tab.6 The test results of alkali resistance of coatings

搪瓷涂層掛片在4%氫氧化鈉溶液中煮沸5h后的質(zhì)量基本無變化（表6）,涂層并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖4）,試驗后涂層附著力同樣均為5A級,表明搪瓷復(fù)合管具有良好的耐堿性能。

圖4 搪瓷涂層掛片試樣耐堿性能試驗前后表面形貌Fig.4 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the alkali resistance test

3 結(jié)論

（1）用于集輸管線內(nèi)防腐蝕的涂層有從無機到有機轉(zhuǎn)變的趨勢。

（2）本工作提供的搪瓷復(fù)合管制造方法解決了傳統(tǒng)搪瓷工藝方法中存在的涂覆不均勻、機械化程度低、加工長度受限等問題。

（3）搪瓷涂層樣品耐油氣介質(zhì)適用性能評價、耐酸堿腐蝕性能評價試驗前后的質(zhì)量和形貌均未發(fā)生明顯變化,涂層與金屬基體的附著力在試驗前后也未發(fā)生明顯變化（均為5A級）,結(jié)果表明按該方法制造的管線有良好的涂層結(jié)合性能、油氣介質(zhì)適用性能、耐腐蝕性能。

該方法制造的搪瓷復(fù)合管已經(jīng)在盤錦中際防腐科技有限公司得到應(yīng)用,產(chǎn)品在遼河油田某集輸管線應(yīng)用效果良好。

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