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    石油鉆采設備防腐蝕涂層失效原因分析及處理

    金屬防腐蝕措施有很多種,但在金屬表面涂覆防腐涂層是目前有效、經濟和應用普遍的防護措施。涂層對金屬的保護原理主要包括對金屬基材的機械保護(一定程度上抵御或干擾外界破壞力)和阻絕金屬服役環境中的腐蝕介質到達金屬表面。

    石油鉆采設備服役環境惡劣,其涂層要經歷日曬、雨淋、風沙沖擊、冷熱交替、霜露等因素的不斷侵蝕,相較于其他工程機械和鋼構,涂層失效發生頻繁,原因也更加復雜。涂層失效將導致金屬防腐蝕涂層防腐能力大大減低,并引起基材腐蝕,影響石油鉆采設備的使用壽命。

    涂裝作為石油裝備常用的防腐蝕手段,粉化(褪色)、侵蝕、開裂、剝落、起泡、涂層機械破損等六類失效形式是石油鉆采設備在沙漠、陸地和海洋服役環境下常發生的失效行為。

    1、涂層失效類型及原因

    石油鉆采設備主要處于沙漠干旱環境、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。

    (1)涂層粉化

    涂層粉化的嚴重程度與所處環境、使用年限有很大關系,同時與涂料成分中成膜物質(主要樹脂)和顏料濃度也有較大關系。因此,學術界普遍認為:涂層老化與涂層下金屬發生腐蝕是導致涂層失效的主要原因,其中涂層老化是重要因素。紫外線附帶能量與一般化學鍵能量接近,長期經受紫外線照射易導致分在鏈斷裂,對涂層粉化起到決定性作用。因此,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。

    (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,使腐蝕介質直接接觸基材,發生腐蝕。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。

    (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。晝夜溫度變化導致涂層張力交替性變化是涂層的開裂原因之一,涂層老化也會導致涂層變薄、脆化乃至開裂。

    (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,主要為層間剝落。根據分離層位,層間剝落又包括底層剝離和層與層剝離。

    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。

    層與層剝離主要原因是涂層各道間不配套、前道涂層表面清理不徹底進行覆涂等導致層間附著力差。

    (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,其主要表現為漆膜因受底部水汽或銹蝕物頂起導致漆膜呈泡狀凸起;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、底材存在未完全清理的銹蝕物等有關。

    底材殘留的水溶性鹽或銹蝕物會吸收水汽并使漆膜內外產生濃度差,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。設備底材與使用環境存在溫度差導致里冷外熱是起泡發生的主要原因。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。

    (6)涂層機械破損

    石油鉆采設備大多數零部件重量達幾噸甚至幾十噸,且很多情況下需要在野外施工,由于起吊和施工條件所限,不可避免的造成漆膜機械性外力損傷。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等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,如果不及時處理將導致設備腐蝕不斷加劇,最終導致設備使用壽命縮減。

    涂層機械性損傷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。

    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,在表2中詳細列舉了六類失效情況的處理方法,采取合理的修復措施以達到恢復涂層防護能力的目的。

     

    涂層失效是一個比較復雜的問題,石油鉆采設備服役環境惡劣,沙漠、陸地常規大氣環境、海洋等各類環境因各自特點會引發不同的失效情況,涂層自身原因和外力損傷也會導致涂層的失效?傮w來講涂層失效原因有5個方面:

    1)紫外線為主導的涂層老化;

    2)多風條件下風沙浮塵的不斷沖擊磨損;

    3)涂層體系搭配不當;

    4)環境介質滲透、侵蝕及誘發涂層底部腐蝕;

    5)人為或其他外力損傷。

     

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