具有高Tg的新型内部管道涂料系统

根据目前石油和天然气运营商的钻探环境，钻探过程需要使用相当昂贵的金属铬合金，以避免高温和高浓度H2S、CO2及其它气体污染物所导致的腐蚀和故障。多年来，涂料一直作为成本较低的替代品而用于该行业。问题是，防腐性能最好的涂料无法用于高温、高压和含大量气体污染物的环境中。本文探讨的内容是一种新型内部管道涂料系统的开发和测试，该体系可承受高浓度H2S和CO2，甚至能承受高温和高压。

深层钻探

全球石油和天然气需求持续增长，人们不得不在更深的储层中提取重油（这是过渡性质，非常规），这一类重油的特征包括较高的粘度和高硫含量。根据工程师和设计者的观察，通过深层钻探获得的含硫原油（硫杂质含量大于0.5％）和高温环境将加快管道的腐蚀速率，须采用价格很昂贵的金属铬合金，才能避免管道由于腐蚀而出现故障。

深层钻探的问题不只是影响井下作业。重油在原油管道处于常温时不易流动，因此管道工作温度需急剧增加，才能便于输送重油。由北美的阿尔伯塔省（加拿大）、美国的墨西哥湾和阿拉斯加、墨西哥，南美的委内瑞拉、哥伦比亚和厄瓜多尔，中东的沙特阿拉伯、伊拉克、科威特和埃及等国家和地区的含硫原油生产商供应的大量新型原油，给冶金和腐蚀工程师造成了更多设计问题。因此对于能够承受原油输送过程中的高温新型内部管道涂料系统需求量不断攀升。该需求促使艾仕得涂料系统的研发团队优先开发玻璃化转变温度（Tg）较高的新一代内部管道涂料。这些新型内部管道涂料具有良好的防腐蚀性能和机械性能，可确保井下设备和管道在较高工作温度和环境中的完整性。

深层钻探带来的更多问题

1. 温度

2. 地层中的流体压力

3. 气体污染物（H2S，CO2）

4. 微生物污染物

为了了解内部管道涂料系统在较高的工作温度下会怎样随着时间逐渐分解，必须考虑几项因素，例如该系统在其寿命期间所处的环境。然而，熔结环氧（FBE）涂料系统被成功运用的最关键特性在于其玻璃化转变温度Tg。Tg是指聚合物（涂料）由坚硬和具有脆性的固态，转变为粘性或橡胶态时的温度。达到或高于该温度时，氧气、水分和其他离子物质的渗透速率显着增加，导致聚合物结构破裂，并最终导致涂料系统出现故障。

表1：对市场上采用的FBE涂料（C）与新产品进行比较。（*市售涂料）

由于目前诸多常用内部管道FBE 涂料系统的Tg 约为109℃（228°F），因此当环境温度高于110℃（230°F）时，防腐涂料系统的选择就产生了冲突。表1 对目前市售的FBE涂料（据称能承受205℃或400°F 的高温）与新开发的产品进行比较。

新型内部管道涂料系统的开发

当艾仕得开始研究和开发用于石油和天然气市场的新型FBE内管涂料系统时，研究人员检查了最终用户的许多规格，以便通过最苛刻的加压釜测试。JO Wafra的“Test Condition 4”被认为是最困难的测试环境。加压釜试验条件如下：

• 温度：400±2°F（205±1℃）

• 时间：96 小时

• 压力：755±10 psi

• 气相：20％（20％ H2S，15％ CO2 和65％ CH4）

• 烃相：40％（甲苯/ 煤油，体积比为1:1）

• 水相：40％（25％ NaCl 溶液）。

接触环境后，使用电化学阻抗光谱法评价涂料的阻隔性，并与未暴露于加压釜环境的涂料样品进行比较。将评价结果与市售产品加压釜暴露试验的结果进行比较。

结果汇总

图1（涂层C）和图2（艾仕得的实验用涂料）包含进行加压釜接触试验前后的涂层照片。艾仕得的新型涂料具有优异的粘附性，不起泡，不膨胀。而“涂层C”则与钢制基料完全脱粘，无法进行进一步评价。

了解EIS测试

有机涂料通过将腐蚀环境与采用的钢结构相隔离而提供腐蚀防护。涂料通常需具有良好的阻隔性能，才能提供良好的防护。因此，将涂料系统成功用于高温之下的关键，在于水、离子、气体和其他腐蚀剂的低渗透性。

现场经验和实验室研究已经表明，具有良好阻隔性的优质防护涂层具有较高电阻。

EIS目前是成熟的实验室技术，可用于评估有机涂层腐蚀防护，这是因为采用EIS可同时测量接触电解质而引发的涂层降解，以及涂层穿孔而导致基材腐蚀速率的变化情况。

测试时，将变频交流电压施加于样品之上，从而能收集电化学反应信息。实验期间，涂层电容将由于水的溶胀或吸收而变化。一般情况下，在水溶液中用工作电极、参考电极和反电极进行EIS。

如图3所示，用Log Z表示涂层防腐性能，它会随着阻抗增加而增加。可以看出，新型高性能涂层具有高阻抗，范围为Log Z = 9~11。

加压釜后的EIS结果

图4给出了对艾仕得试验用FBE进行加压釜后的EIS 测试结果。通过评估EIS，艾仕得FBE涂层系统展现出良好的阻隔性能。艾仕得FBE 接触加压釜之前所测量的Log Z为11.09。接触加压釜后，在水相内观察的Log Z为10.66，烃相内的Log Z为10.92，气相内的Log Z 为10.84。Log Z 的这一轻微变化表明，新型艾克斯内部管道涂料即使暴露于高温和高含量的油田气体污染物之下，其阻隔性能也不会降低。

结论

接触加压釜的结果表明，玻璃化转变温度较低的FBE 涂料无法在高温和高腐蚀性环境中，为昂贵的钢材提供防护。温度高于涂料Tg时，水、气体和其它离子不可避免产生渗透。然而，新型艾仕得内部管道涂层系统（Tg 大于180℃）即使在最苛刻的环境中也能提供防护。

与高温和高浓度气体污染物相关的腐蚀问题，并不一定会限制工程师和设计者将昂贵的合金用于管道。不过从现在开始，这种可以解决石油和天然气市场所面临问题的新型涂料解决方案已经出现。