镍基耐蚀合金涂层在油气田压力容器内壁防腐的应用

常泽亮， 毛学强， 马天兵， 漆亚全， 侯应黎

（1. 中国石油塔里木油田公司， 新疆 库尔勒841000；2. 洛阳朗力表面技术有限公司， 河南 洛阳471003）

1 油气田压力容器的运行工况及防腐措施

随着我国三高（高Cl-、 高H2S、 高CO2） 油气田的相继投产， 油气井采出水中Cl-、 H2S、CO2等腐蚀性组分含量越来越高， 高温和低pH值促进腐蚀的问题越来越突出。 在这种复杂的腐蚀性环境下， 油气田压力容器等设备常发生全面腐蚀、 应力腐蚀、 点蚀、 晶间腐蚀、 缝隙腐蚀及垢下腐蚀等多种失效[1]。

1.1 油气田压力容器分类及材质

油气田中与三高介质接触的压力容器超过70%， 主要包括分离器、 换热器、 储存容器及塔器等， 其中三类压力容器超过20%， 这些设备设计压力一般低于16 MPa， 操作温度小于100 ℃， 低温容器的操作温度高于－70 ℃。 目前， 国内外三高油气田的压力容器材质主要有Q235、 20 系列、16MnR 系 列、 SA516、 SA106、 SA333、 316L、07Cr2AlMoRE、 09MnNiDR 等碳钢和低合金钢[2]。

1.2 腐蚀工况及防腐措施

三高油气田的设备腐蚀情况非常复杂， 国内外专家也进行了大量的试验研究， 腐蚀机理包括湿H2S 腐蚀、 CO2腐蚀、 H2S 和CO2的协同作用、Cl-与H2S 和CO2的协同作用、 温度对腐蚀的影响、 pH 值对腐蚀的影响、 介质流速对腐蚀的影响、 成膜和结垢对腐蚀的影响[3]。

针对目前的腐蚀现状， 国内外油气田研究使用了一些防腐措施[4]， 起到了一定的防腐作用，但仍有部分问题难以解决。 常见的油气田防腐措施包括： ①加注缓蚀剂。 成本较低， 适用于输送液相介质的管线防腐， 对于气相介质的环境则防护效果较差。 ②阳极保护+防腐涂料。 常用环氧类防腐涂料在常温下就有较好的耐蚀性，但易老化、 脱落， 一般用于低压容器。 ③基材采用耐蚀合金。 耐蚀合金具有良好的耐蚀性，适用于多种腐蚀工况， 但造价成本昂贵， 采购困难， 难以大量推广。 ④采用耐蚀合金复合板。耐蚀合金复合板具有较好的耐蚀性， 成本具有一定的优势， 但厚壁复合板的热处理存在技术难题。 ⑤非金属防腐涂层。 国外公司有在常压容器内壁采用涂覆非金属防腐涂层， 但在高压容器的应用较少。

2 金属防腐涂层的开发

热喷涂技术在近年来得到了广泛应用[5]， 其具备以下优点： ①涂层材料种类不限， 纯金属及其合金、 陶瓷材料、 其他非金属材料都可用来热喷涂制备涂层[6]； ②涂层结合强度高， 可达70 MPa以上； ③生产效率高， 大多已经实现自动化、 机械化； ④节约贵金属， 降低使用成本， 在基体表面制备不到1 mm 的涂层， 都能达到耐磨防腐的功能。 根据热喷涂工艺技术的特点， 结合三高油气田压力容器的使用工况， 研究开发了新型钎涂涂层工艺及新型镍基耐蚀合金。

2.1 新型钎涂工艺

钎涂主要工艺为： 基体检测→表面预处理→表面喷砂处理→检测表面处理质量 （粗糙度等）→喷涂施工→检测涂料厚度→涂料重熔→局部修补→涂层厚度检测→着色探伤→局部修补→退火处理→水压试验→封孔处理。 该工艺是介于热喷涂和焊接工艺之间的特殊涂层成型工艺， 它结合了热喷涂和焊接的优点[7-9]。 钎涂工艺设备主要包括： 高频钎涂设备、 能量转换器、 工业机器人。 钎涂工艺具备以下优点： ①结合强度高。 涂层与基体材料是冶金结合， 结合强度可达200 MPa 以上。②涂层孔隙率低。 涂层的孔隙率接近为0。 ③涂层均匀致密。 在磁场的作用下， 得到稳定均匀致密的涂层组织。 ④对基体的热影响小。 涂层可在1～3 s内迅速达到加热温度， 对基体的热影响小。 ⑤自动化程度高。 整个作业过程依靠工业机器人机械化操作， 保证涂层质量均匀稳定可靠。

2.2 新型金属涂层材料

经过试验、 检测、 筛选、 验证， 选配出一种新型金属涂层材料， 涂层材料是在Ni－Mo－Cr－Fe－W 系列镍基耐蚀合金的基础上通过成分添加调配， 匹配钎涂工艺， 研发成功的一种耐蚀合金。钎涂镍基耐蚀合金的涂层性能检测结果见表1。

表1 钎涂镍基耐蚀合金涂层性能检测结果

3 钎涂镍基耐蚀合金涂层的应用

2014 年4 月， 利用钎涂技术在某油气田高压生产分离器内壁表面制备了镍基耐蚀合金涂层，如图1 所示， 设备的运行工况参数见表2， 2015—2019 年现场PT 渗透探伤检测涂层使用情况如图2所示。 采用PosiTector 6000 FNS3 测厚仪对罐壁某一固定区域进行金属涂层厚度检测， 检测结果见表3。 由表3 可以看出， 2015—2019 年金属涂层厚度基本没有变化。

设备自2014 年7 月运行至今， 运行使用情况良好， 达到了预期的效果， 表现在以下几点：

（1） 涂层结合强度高。 具有很好的韧性， 不易脱落， 避免了因有机涂料防腐层脱落出现的腐蚀加速现象的发生。

（2） 涂层均匀致密。 避免了设备由于焊缝处材料成分不均匀导致的点蚀现象。

（3） 施工工艺对基体材料损伤很小。 有效克服了设备因热处理而降低耐蚀性的缺点。

（4） 涂层防腐效果良好。 提高了设备运行的安全可靠性、 减少了现场操作人员的维修工作量， 具有良好的经济效益和社会效益。

图1 高压生产分离器内壁钎涂制备耐蚀合金涂层

表2 设备运行参数

图2 2015—2019 年现场PT 渗透探伤检测涂层使用情况

表3 高压生产分离器内壁镍基耐蚀合金涂层厚度检测结果

4 钎涂制备镍基耐蚀合金涂层经济性分析

钎涂制备镍基耐蚀合金涂层技术采用机械化、 自动化工装， 生产效率高， 涂层质量均匀稳定， 涂层厚度在1 mm 内就能达到很好的耐腐蚀效果， 节省了贵重金属的使用量， 具有很好的成本优势。 压力容器内壁采取不同防腐措施费用对比结果见表4。 由表4 可以看出， 钎涂镍基耐蚀合金涂层具有较大的经济优势、 很大的发展和推广前景， 能够给油气田设备的安全经济可靠运行带来有力的保障。

表4 压力容器内壁采取不同防腐措施费用对比结果

5 结 论

（1） 钎涂镍基耐蚀合金涂层已成功应用于某油气田压力容器设备内壁防腐， 其结合强度、 孔隙率、 耐腐性等性能得到验证。

（2） 钎涂耐蚀合金涂层具有较好的成本优势， 提高了设备的使用寿命， 减少了停产检修时间， 保障了油气生产的安全稳定运行。

（3） 现场应用效果跟踪表明， 钎涂镍基耐蚀合金涂层可达到预期的防腐效果。