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        石油鉆采設備防腐蝕涂層失效原因分析及處理

        2022-02-28 10:25:00   來源:    點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

        1  涂層失效類型及原因

        石油鉆采設備主要的服役環境有三大類,即沙漠干旱環境、陸地大氣環境和海洋潮濕環境。經過多年統計,石油鉆采設備備在服役期間主要發生的涂層失效類型有粉化、侵蝕、開裂、剝落、起泡、涂層機械破損(磕傷、劃傷)等六類,涂層失效形式所占比如表1中所示。

        有行業專家系統論述了涂層失效分析的方法和工作程序。目前,對涂料失效原因的分析方法有很多種,張蕾等對涂層失效研究方法做了較為全面的闡述。根據多年現場大量案例統計分析,結合學界對涂層失效的論述,對石油鉆采設備主要涂層失效類型進行歸納,并對其失效原因進行分析。

        1.1涂層粉化

        涂層粉化發生的嚴重程度與服役環境及年限有很大的關系,已粉化涂層與未粉化狀態相比,有一定程度的變色或褪色,粉化的嚴重程度與涂料成分中成膜物質(主要為樹脂)和顏料的濃度有很大關系,用手或其他工具進行擦拭會有一層易碎的粉層。學術界普遍認為涂層的老化和涂層下金屬發生腐蝕是導致涂層失效的主要原因,其中老化是導致涂層粉化發生的重要因素。紫外線對涂層的老化起決定性作用,這主要是紫外線附帶能量與一般化學鍵能量接近,長期紫外線照射容易導致分子鏈斷裂。粉化在環氧類涂料中表現的尤為明顯,沙漠和西部干熱地區使用的石油鉆采設備發生粉化的頻率和嚴重程度要高于其他地區。

        1.2涂層侵蝕

        涂層侵蝕主要表現為涂層的非機械磨損,嚴重時可導致金屬底材的裸露,使得腐蝕介質接觸基材,發生腐蝕。沙漠環境中服役的鉆采設備侵蝕現象發生的尤為明顯。李慧艷等研究表明,西部干熱沙漠氣候風沙流沖蝕磨損嚴重,風沙流速與涂層沖蝕失重重量近似呈指數關系。沙漠地區服役的石油鉆采設備在風沙天氣,尤其是大沙塵暴天氣中,涂層被砂土和浮塵不斷沖擊,導致涂層嚴重磨損。

        1.3涂層開裂

        涂層開裂是潮濕、較大晝夜溫差或海洋環境下涂層失效的主要形式,表現為涂層外觀發生不連續的變化,根據裂紋的長度、延展性及密集程度,可以分為細裂、小裂、深裂和龜裂。細裂和小裂主要表現為涂層表面出現細微的淺裂紋,但通常未穿透整個涂層,小裂相較于細裂,裂紋相對更深更寬一點。深裂表現為涂層出現深度裂紋,甚至貫穿整個涂層。晝夜溫度的變化導致涂層張力的交替性變化,是導致涂層的開裂原因之一,涂層的老化也會導致涂層變薄、脆化,乃至開裂。風沙沖擊會誘發和導致開裂的發生,這是由于風沙沖擊易導致涂層表面細裂和小裂,再加上溫度交替變化,反復改變涂層與基體的膨脹系數,在反復的“熱脹冷縮”過程中,使涂層細裂和小裂不斷擴展至穿透涂層。

        1.4涂層剝落

         涂層剝落分為層間剝離和層內剝離,通常層內剝離發生的情況相對較少,主要的涂層剝落表現為層間剝落,層間剝落根據分離層位,又包括了底層剝離和層與層剝離。涂層剝落的原因相對比較復雜。底層剝離的原因主要有兩方面,涂裝前處理較差和涂層的陰極剝離,涂裝前處理粗糙度較差,污染物清理不徹底等都會導致后期的底層剝離現象發生。有些情況下,條件所限采用手提動力工具除銹,除銹后未達到St3級,然后涂覆底漆,易造成底漆附著力不足,誘發底層剝離的發生,尤其是環氧富鋅涂料。在涂層下金屬發生電化學腐蝕,陰極反應或陰極產生物會影響涂層與基體金屬的結合力,致使涂層從基體金屬分離,產生陰極剝離現象,也會導致底層剝離的發生。王躍波等認為,由于水擴散受到濃度梯度、滲透壓和溫度梯度的作用,不斷滲透入涂層底部,當涂層的濕附著力小于水壓造成側向壓力,則水相會向側向發展而引起涂層脫落。層與層剝離主要原因是涂層各道間不配套和前道涂層表面清理不徹底進行覆涂,導致層間附著力差。

        一服役6年的石油鉆采設備漆膜局部發生涂層剝離現象,對已剝離涂層進行清理,發現涂層底部發生銹蝕導致漆膜從底材發生脫落。發生剝離區域周圍涂層附著良好,這說明涂層配套和涂裝前處理方法合理。對涂層剝落區域進行詳細檢查,發現腐蝕起源于個別點位。分析原因確認為底材局部清理不徹底,殘留鹽類等誘發底部腐蝕導致涂層剝離。 

        1.5涂層起泡

        涂層起泡主要發生于海洋、沼澤及淺灘地區服役的石油鉆采設備。主要表現為漆膜因受底部水汽或銹蝕物頂起,漆膜呈泡狀凸起,嚴重時漆膜頂破,表現為點狀銹蝕。氣泡的發生主要與設備底材殘留水溶性鹽、金屬底材與環境溫度存在溫度梯度或底材存在未完全清理的銹蝕物等。底材殘留水溶性鹽或銹蝕物,鹽分和銹蝕物會吸收水汽并使漆膜內外產生濃度差,促使水汽不斷滲透進入漆膜內部,在高濕度情況下(海洋等潮濕環境,相對濕度30%),涂層吸水和脫水過程都符合Fick第二擴散定律,使涂層底部水汽壓不斷升高,導致涂層被頂起,從而產生起泡現象。通常情況下,底材處理完好的涂層,有鹽分和銹蝕物造成的起泡失效現象相對較少。設備底材與使用環境存在溫度差,發生里冷外熱是導致起泡發生的主要原因。這是由于溫度較高一側分子動能較大于另一側分子動能,在涂層隔絕性能較差時,將導致水汽不斷滲透入涂層內部,發生涂層起泡,甚至頂破漆膜導致腐蝕。涂層起泡的情況會伴隨涂層的逐漸老化而更容易產生,這是因為伴隨涂層的老化,涂層的孔隙率不斷增大,涂層電阻不斷減小,促使水汽等腐蝕介質進入涂層底部,導致起泡發生。徐永祥等研究表明,除油和表面可溶性鹽的徹底與否是導致起泡發生的關鍵,除油不徹底時,起泡發生嚴重,除油不徹底時,起泡現象輕微。

        1.6涂層機械破損

        石油鉆采設備大多數零部件重量很大,幾噸甚至幾十噸,且很多情況下需要在野外施工,由于起吊和施工條件所限,不可避免的會造成漆膜的機械性外力損傷。從制造過程中的轉運、部件裝配、產品成套總裝試驗、發運現場、現場組裝及投入使用,都會不同程度不同范圍的造成設備涂層的機械破損,嚴重的使金屬基材裸露,導致腐蝕發生。一般來講,石油鉆采設備的使用環境較為惡劣,腐蝕性強,如果不能及時進行處理,將導致設備腐蝕的不斷加劇,最終導致設備使用壽命縮減。對高壓和關鍵承重部位發生銹蝕,甚至會誘發安全事故。涂層機械性損傷發生的原因主要有三個方面:一是未采用合理的起吊工具、例如鋼絲繩與設備直接接觸起吊。二是設備未設計起吊吊耳或起吊位置不合理。三是在裝配或使用時人為磕碰或物體撞擊破損。

        涂層機械破損是石油鉆采設備,大型鋼構等最普遍也最易發生的失效形式。筆者在工作中接觸到的案例中很大比例都是人為或機械運行,運輸過程中發生損傷。如:產品搬運過程中涂層發生劃傷后暴露底材,且未及時發現和處理,局部范圍涂層防腐能力失效:產品涂層底漆基本完好,中間漆及面漆完全破損,破損區域邊緣為斷層式破裂,且劃痕明顯,判斷為工具或其他產品刮傷。

        2  各涂層失效類型處理方法

        涂層失效的及時發現和處理,對預防和阻止因涂層防護作用失效引發的腐蝕有非常重要的意義。針對石油鉆采設備常發生的六種失效形式,筆者結合工作實踐經驗與行業內專家的研究,在表2中詳細列舉了六類失效情況的處理方法。不同的涂層失效形式,同一類失效形式發生的嚴重程度不同,都要合理采取修復措施,以達到回恢復涂層防護能力的目的。 


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