牙亞萌 張勝利 李 唯 張鎵遠 陳彬源 李 浩

1.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041；2.北京華凱潤通石油機械有限公司, 北京 100101

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高溫、含H2S環(huán)境的設(shè)備內(nèi)壁陶瓷金屬涂層防腐技術(shù)

牙亞萌1張勝利1李 唯1張鎵遠2陳彬源1李 浩1

1.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041；2.北京華凱潤通石油機械有限公司, 北京 100101

安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏天然氣處理廠的設(shè)備內(nèi)壁具有運行溫度高,含H2S、Cl-和CO2等強腐蝕性介質(zhì),腐蝕環(huán)境惡劣等特點。對陶瓷金屬涂料進行了實驗室測試，并對陶瓷金屬涂料在其它工程項目中的運行情況進行了調(diào)查,證明陶瓷金屬涂料具有附著力強,耐磨、耐高溫,抗H2S、Cl-和CO2腐蝕的優(yōu)良性能。選用陶瓷金屬涂料對腐蝕環(huán)境惡劣的設(shè)備內(nèi)壁進行防腐,保障了設(shè)備的安全運行,通過1年的實際運行和驗證發(fā)現(xiàn),陶瓷金屬涂料在高溫,含H2S、Cl-和CO2等腐蝕性介質(zhì)的浸泡環(huán)境下具有很強的耐蝕性。

涂料；防腐；天然氣；儲罐；內(nèi)壁涂層

0 前言

安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏是迄今為止我國發(fā)現(xiàn)的單體規(guī)模最大的特大型海相碳酸鹽巖整裝氣藏,H2S含量10～15 g/m3,Cl-含量5 527～11 344 mg/L,CO2含量30～60 g/m3,其高溫、高壓、高濕環(huán)境下的設(shè)備內(nèi)壁防腐是對國內(nèi)防腐技術(shù)的嚴峻考驗。目前國內(nèi)外尚無可借鑒的類似工程經(jīng)驗,通過研究國內(nèi)外現(xiàn)有科研文獻資料[1-5],并結(jié)合本工程的實際工況,不斷地進行科學實驗和論證分析,最終確定了防腐性能優(yōu)異、經(jīng)濟合理且安全環(huán)保的防腐方案。

1 內(nèi)腐蝕環(huán)境

通過對本工程內(nèi)部集輸系統(tǒng)及處理廠的內(nèi)腐蝕環(huán)境分析可知,本工程的濕氣輸送和濕氣處理系統(tǒng)中含有較高H2S、CO2,氣田水中含有較高Cl-(最高達 11 344 mg/L),接觸濕天然氣的生產(chǎn)設(shè)備、壓力容器均采用碳鋼材料,在H2S、Cl-和CO2腐蝕環(huán)境下,不僅會產(chǎn)生硫化物應(yīng)力開裂(SCC)、氫誘發(fā)裂紋(HIC)和氫鼓包,而且長期的電化學腐蝕,還會導(dǎo)致點蝕、坑蝕的出現(xiàn)；由于設(shè)備內(nèi)部工藝復(fù)雜、壓力較高,并伴有急減壓工況,溫度高且溫變快,流體沖刷,會加劇以上腐蝕危害的發(fā)生,影響天然氣生產(chǎn)的安全運行,同時導(dǎo)致設(shè)備更換檢修成本的增加。

2 陶瓷金屬涂料的選擇

目前國內(nèi)用于酸性氣田設(shè)備內(nèi)防腐的涂料主要有環(huán)氧酚醛和玻璃鱗片兩類。針對本工程內(nèi)腐蝕環(huán)境,對兩類常規(guī)涂料一一進行實驗,發(fā)現(xiàn)上述涂料在運行一段時間后均發(fā)生失效。設(shè)計人員針對本工程特有的環(huán)境,對國內(nèi)外資料[4-9]進行檢索研究,最終確定采用陶瓷金屬涂料[10-13]。

陶瓷金屬涂料是一種高分子聚合涂料,采用先進技術(shù)將不同金屬、非金屬填料以及改性環(huán)氧樹脂進行聚合而成,不僅附著力強[14],耐磨、耐高溫,抗H2S、Cl-和CO2等氣體腐蝕和電化學腐蝕,而且避免了普通環(huán)氧酚醛類涂料和玻璃鱗片類涂料耐急減壓、溫度驟變能力差的缺陷；涂層產(chǎn)品揮發(fā)性有機化合物(VOC)組成為零,具有施工安全環(huán)保等特點。陶瓷金屬涂料性能指標見表1。

表1 陶瓷金屬涂料性能指標

項目指標實驗方法外觀表面平整、均勻,無開裂、鼓泡、針孔等缺陷目測拉脫黏合力/MPa≥8ASTMD4541抗壓強度/MPa≥60ASTMD695抗拉剪切強度/MPa>15ASTMD1002耐腐蝕性(鹽霧箱,3000h)涂層完好ASTMB117-73沖擊強度/(J·m-1)≥15ASTMD256硬度(常溫固化),肖氏D>15ASTMD2240H2SO4(常溫,5%,84d)涂層完好SY/T0319附錄CNaOH(常溫,20%～50%,84d)涂層完好SY/T0319附錄CH2S/CO2(90℃,飽和濃度)涂層完好GB/T21776-2008

3 陶瓷金屬涂料性能測試

2013年8月1日中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司材料評價與腐蝕控制中心國家級實驗室參照NACE TM 0185《管形設(shè)備內(nèi)部耐蝕塑料涂層的高壓釜試驗評價法》對陶瓷金屬涂料與其他常用環(huán)氧酚醛類涂料進行了研究測試：實驗室測試工況為溫度90 ℃,H2S濃度始終保持在常壓飽和濃度以上(H2S分壓0.1～0.2 MPa),Cl-含量138 g/L的氣田水,實驗室模擬反應(yīng)168 h，經(jīng)過測試的諸多涂層試樣中沒有任何變化(顏色除外)的內(nèi)涂層產(chǎn)品只有陶瓷金屬涂料。

陶瓷金屬涂料測試前后對比見圖1,其他涂料測試前后對比見圖2。實驗前后涂層厚度見表2。

表2 實驗前后涂層厚度 μm

a) 實驗前的涂層試樣形貌

b) 實驗后的涂層試樣形貌

a) 實驗前的涂層試樣形貌

b) 實驗后的涂層試樣形貌

4 陶瓷金屬涂料應(yīng)用案例

陶瓷金屬涂料因其具備附著力強,耐磨、耐高溫、耐急減壓,抗H2S、CO2等氣體腐蝕和電化學腐蝕等優(yōu)點,在國外工程項目中得到大量應(yīng)用,同時雪佛龍石油公司明確規(guī)定腐蝕環(huán)境惡劣的設(shè)備內(nèi)壁應(yīng)選用陶瓷金屬涂料為內(nèi)涂層,但在國內(nèi)項目中運用較少。2009～2015年,中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川中油氣礦與西南石油大學針對川中油氣田氣質(zhì)條件及生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的腐蝕問題,在引進的50×104m3凈化裝置原料氣重力分離器進行了陶瓷金屬內(nèi)防腐涂層的試用研究。

原料氣重力分離器為碳鋼材質(zhì),自2003年開始使用至2009年檢修,使用6年來,含有H2S、CO2等酸性介質(zhì)原料氣,夾雜著砂等固體介質(zhì),工作溫度為20 ℃,在較高壓力(4.0 MPa)下,產(chǎn)生電化學腐蝕、氫誘發(fā)裂紋(HIC)及硫化物應(yīng)力開裂(SSCC)、固體磨蝕等,導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部表面有點蝕、坑蝕、焊縫缺陷等腐蝕現(xiàn)象,腐蝕情況見圖3。

a) 檢修前的設(shè)備內(nèi)壁點蝕、坑蝕

b) 檢修前的設(shè)備內(nèi)壁焊縫缺陷圖3 檢修前的設(shè)備內(nèi)壁腐蝕情況

2009年對原料氣重力分離器進行了檢修,內(nèi)壁采用陶瓷金屬涂料防腐,涂層完工后形貌見圖4-a),經(jīng)過5年的科研測試和現(xiàn)場運行調(diào)研發(fā)現(xiàn),陶瓷金屬涂料在原料氣重力分離器常溫、含H2S工況下使用效果良好,涂層無脫落、開裂、鼓泡；采用內(nèi)涂層的罐體金屬壁厚及外部形狀均無變化,見圖4-b)。

a) 2009年設(shè)備內(nèi)壁涂層形貌

b) 2015年設(shè)備內(nèi)壁涂層形貌圖4 檢修后的設(shè)備內(nèi)壁形貌

5 陶瓷金屬涂料的應(yīng)用

5.1 陶瓷金屬涂料內(nèi)壁防腐儲罐及設(shè)備

在安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏開發(fā)地面工程[15-16]中,針對高溫、高濕,含H2S、Cl-和CO2等腐蝕環(huán)境惡劣的設(shè)備內(nèi)壁[17-18],采用經(jīng)過測試驗證并具有成功運用業(yè)績的陶瓷金屬涂層進行內(nèi)防腐。陶瓷金屬涂料內(nèi)壁防腐的儲罐及設(shè)備見表3。

表3 陶瓷金屬涂料內(nèi)壁防腐的儲罐及設(shè)備

設(shè)備名稱腐蝕環(huán)境運行溫度/℃工作壓力/MPa介質(zhì)原料氣重力分離器20～406.8含硫天然氣、酸水酸氣分離器40～600.1酸性氣體液硫捕集器127～1470.1過程氣、液流(H2S為0.051%)原料氣過濾分離器封頭及管板60～1006.7含硫天然氣酸氣放空分離器110～1300.1含硫天然氣脫硫重沸器封頭及管板殼127～170-低壓蒸汽、半貧液

5.2 陶瓷金屬涂料的施工工藝

1)接收設(shè)備,檢查設(shè)備整體完整性及配件完好性等；

2)拆卸設(shè)備人孔盲板、法蘭等部件,并使用清洗劑清洗設(shè)備上的油脂；

3)打磨焊縫尖角及周邊焊渣、倒角及棱邊,打磨過程中檢查焊縫等特殊部位是否存在缺陷；

4)用棕剛玉20#作為噴砂磨料,噴砂等級達到Sa 2.5～Sa 3,表面粗糙度為90～120 μm,鹽分含量低于30 mg/m2,Cl-含量小于3×10-6；

5)修補焊縫縫隙及缺陷后進行第一層涂裝,涂裝過程中隨時檢測濕膜厚度,清理毛刺和雜質(zhì)并檢查第一層厚度,然后涂裝第二層涂料,涂裝過程中隨時檢測濕膜厚度；

6)對涂層整體進行厚度檢測,用電火花檢測儀進行漏點檢測,對涂層缺陷進行修補。

5.3 陶瓷金屬涂料內(nèi)涂層使用效果

2014年5～8月,在磨溪第二天然氣凈化廠建設(shè)中,對原料氣重力分離器、再生塔頂回流罐、酸氣分離器、液流捕集器、酸氣放空分離器等設(shè)備內(nèi)壁進行了陶瓷金屬內(nèi)涂層防腐施工；2015年9～12月,在經(jīng)過1年生產(chǎn)運行后的磨溪第二天然氣凈化廠設(shè)備進行了檢修和內(nèi)涂層檢測。

5.3.1 脫硫裝置原料氣重力分離器

5.3.2 脫硫裝置酸氣分離器

5.3.3 硫黃回收裝置液硫捕集器

陶瓷金屬涂料在磨溪第二天然氣凈化廠富含酸水、酸氣、泥沙,且高溫高壓等復(fù)雜工況介質(zhì)環(huán)境中使用1年后,經(jīng)過現(xiàn)場檢測,內(nèi)涂層整體表面平整光滑,無漏點、脫落、鼓包、裂紋等涂層防腐失效現(xiàn)象；采用內(nèi)涂層的容器設(shè)備易于清洗,且能持續(xù)滿足防腐設(shè)計要求和凈化廠安全運行的內(nèi)防腐保護需求。

a) 2014年8月投產(chǎn)時內(nèi)壁涂層

b) 2015年9月檢測時內(nèi)壁涂層圖5 原料氣重力分離器內(nèi)壁涂層形貌

a) 2015年9月罐體內(nèi)壁涂層

b) 除沫器處內(nèi)壁涂層圖6 酸氣分離器內(nèi)壁涂層形貌

a) 2015年12月罐體內(nèi)壁涂層

b) 加熱盤管處內(nèi)壁涂層形貌圖7 液硫捕集器內(nèi)壁涂層形貌

6 結(jié)論

有效的防腐涂層是保障工程安全運行的重要手段,通過大量科學研究和討論,本工程最終采用了性能優(yōu)異的陶瓷金屬涂料。陶瓷金屬涂料安全、環(huán)保且施工簡單,對使用環(huán)境要求不高。該涂料的使用解決了安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏含H2S、Cl-及CO2,高溫、高壓的設(shè)備內(nèi)壁防腐問題,在使用該涂料的1年時間內(nèi)效果良好,確保了生產(chǎn)裝置的安全運行,在工業(yè)企業(yè)中具有較高的推廣價值。但目前陶瓷金屬涂料在磨溪第二天然氣凈化廠設(shè)備內(nèi)壁使用時間只有1年,在今后的使用及檢修中,使用效果有待繼續(xù)觀察。

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2016-01-19

中國石油天然氣集團公司安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏60×108m3/a開發(fā)地面工程(S 2013-015 E)

牙亞萌(1988-)，女，河北保定人，助理工程師，學士，主要從事石油天然氣管道防腐層及陰極保護研究與設(shè)計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.016