石油钻机腐蚀问题及处理措施

2017-04-13鲁运来张国辉

设备管理与维修 2017年8期

鲁运来，胡彪，张国辉，罗军

（西部钻探吐哈钻井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

腐蚀是由于金属材料受环境的影响，在化学或电化学的作用下引起结构的变质和破坏，在钻机中使用的多半是钢铁材料，钢铁材料属于铁基，在氧和水的作用下形成含水氧化物，这种腐蚀的产物通常称为铁锈。在工业生产中，设备腐蚀情况非常普遍，每年由于腐蚀造成的损失占到国民生产总值的3%左右，近期美国有报道称，由于腐蚀产生的经济损失高达3000亿美元[1-5]。腐蚀是石油工业中金属设备破坏的最常见的原因，腐蚀增加管道设备的事故率，造成石油工业生产的泄漏和停工事故，并由此带来环境污染。在我国由于管道腐蚀破坏造成的事故约占1/3，特别是在含水量较高的环境中，设备的腐蚀问题更为严重，影响到工业生产的科学稳定的发展。

1 钻机面临的腐蚀问题

石油钻机在石油勘探中用于钻取岩石和矿层进行采样和探明地质情况的机械设备。在油气勘探过程中发挥着重要的作用，石油钻机被广泛应用于陆地石油开发和海上油气开发，近海的石油钻机大部分采用的是陆地石油钻机，防腐工艺为传统的喷漆方式，因近海的石油钻机常年在海边工作，受海洋环境的影响，设备腐蚀加剧，机械性能受到影响，钻机的使用年限缩短，维护成本逐年增加。

2 钻机防腐处理措施

2.1 钻机防腐处理要求

对于在陆地上使用的钻机，在沙漠干燥地区，钻机的碳钢部件腐蚀速率较低，表面油漆易起皮掉落，对于这些地区的防腐，通常是采取定期更换高分子材料配件和进行补漆工作。在酸雨环境下，由于二氧化硫的含量偏高，钻机的腐蚀速率明显偏高，这些区域的钻机通常应该选用锰钢材料为基体，并加厚防腐层。高原环境中海拔高，气压低，太阳辐射强，高分子材料易被腐蚀，金属腐蚀较轻。热带雨林地区高温多雨，腐蚀更为严重，需要重防腐涂料来防护。

对于海洋附近用的钻机，特别是海洋钻井平台，针对不同的海洋腐蚀环境，有不同的防腐措施。针对海洋大气环境，湿度大，水中含有大量的盐分，易在设备表面形成水膜，具备电化学腐蚀条件，目前最新采用的方法是在采取涂层防护的基础上使用低合金钢，提高耐腐蚀性。针对飞溅区，钢铁表面有水气，碳钢在飞溅区的腐蚀速度高达500 μm/a，腐蚀不均匀，海浪形成的气泡对结构表面具有较大的破坏作用，解决措施是提高结构件的壁厚，或采用有机防腐层增强，并采用250 μm以上的防腐涂层。在潮差区通常与海水接触的较多，会受到严重的腐蚀，因此必须采用两层涂层防护，例如使用环氧树脂加聚氨酯两层叠加防护。全浸区的腐蚀速度最高可达180 μm/a，海水中的盐、氧、冲击、海洋生物等对全浸区都有很大的影响，采用防腐层和阴极保护等手段合用来进行防护[5-7]。海泥区含量量较低，电阻率也较高，腐蚀速度相对全浸区要低，采用阴极保护法可起到不错的效果。

2.2 防腐处理材料

石油钻机的防腐要求分为井架、底座、容器储罐、走道和护栏等，根据钻机使用环境和相关标准对环境的要求，钻机主设备和容器的外表属于高温、高湿的环境，井架和底座设计的防腐能力须达到20 a以上，井场设备须达到15 a以上，容器储罐和走道等须10 a以上。为了满足设计寿命的要求，可以考虑使用热浸锌、冷喷锌、锌铬涂层处理等方法，以及使用316不锈钢材料和各种防腐涂料。

热浸锌是将钢铁结构件放入融熔的锌液中，将钢铁表面覆盖一层锌来达到防腐的作用。在大气环境下，锌的表面可以形成氧化锌以及锌盐，这些氧化物形成保护膜，可以减缓锌的腐蚀，即使在锌层被严重破坏，使铁层暴露时，锌与铁也能通过电位差形成微电池，铁作为阴极可以受到保护。热浸锌可让融熔锌均匀的覆盖在设备的表面，硬度也比钢铁材料的硬度大，耐磨性也比钢材要好。热浸锌也有氢脆的缺点，容易发生突然的断裂，浸渍锌液时操作温度高，会降低构件的机械强度，涂层交界处易发生开裂、气孔等。

冷喷锌传统的方法适用于体积较小的设备，利用辅助气体将锌粉高速喷向铁金属表面，由于在铁的表面发生塑性形变而将锌粉沉积在表面，这种方法最大的优点是工艺温度相对较低，具有阴极保护和屏障式保护双重作用，冷喷工艺的造价较高，但有良好的配套性，适合于钻机的主机、钻台面设备和固定控制设备等。

锌铬涂层是一种新型的防腐处理方法，将铬酸与锌、铝和钢铁金属发生反应，形成致密的钝化隔层，这层钝化膜具有壁垒效应，比传统的电镀锌耐腐蚀性要高出近10倍，没有热浸锌的氢脆性缺点，具有较高的耐温性、耐磨性、耐候性、渗透性，适用于高强度的部件。锌铬涂层的缺点是烧结温度比较高，需要较长的处理时间，导电性能稍差，颜色较为单一，成本略高于热浸锌，适用于小件物体。

316不锈钢材料含有的铬含量较高，可以与环境中的氧气形成氧化膜，富铬氧化膜可以阻止氧气的进一步入侵，具备较为优秀的耐腐蚀性、耐高低温性能和良好的工艺性能，但是采用316不锈钢的成本较高，是普通不锈钢的价格的1.5倍，电阻率较高，部分石油钻机中的防护设备可采用316不锈钢材料。

除了采用防腐处理的材料之外，对设备进行涂料涂刷涂层是必不可少的，针对不同环境选用不同的涂层体系，环氧富锌底漆是环氧树脂和锌粉为主要原料，加上各种增稠剂和助剂，在腐蚀环境中，锌粉通过电化学作用保护钢铁基体，富锌底漆具有较好的附着力，锌粉含量较高，具有较好的耐性性能和机械性能。富锌底漆不用直接用于钻机设备，须与中间漆和面漆配合使用。底漆还可以使用环氧锌黄底漆、环氧玻璃鳞片底漆等。中间漆常见的有环氧云铁中间漆，其主要是由灰色云母氧化铁、环氧树脂、聚酰胺树脂等组成，漆膜具有较好的耐盐水性能，有良好的力学性能，具有较好的抗渗透屏蔽性能，但是气温过低时，环氧树脂固化慢，潮湿天气不宜施工。面漆通常采用的是环氧煤沥青防腐面漆和氟碳树脂面漆等，环氧煤沥青溶剂含量低，成膜迅速，施工方便，涂层厚实，气孔较少，干燥速度较快，但在湿度＞80%时不宜施工。氟碳树脂引入了氟元素，使分子结构中形成氟碳键聚合链，具有特殊的保护结构，可以抵御氧化褪色、起皱等。氟碳树脂面漆的优点在于具有超长的耐候性，使用寿命高达20 a。

2.3 防腐施工

为延长石油钻机的使用寿命，防腐的施工也有一定要求，钻井设备的外表面首先进行冷喷锌防腐处理，然后采用复合涂料喷涂法进行二道防腐。中间层第一道使用环氧封闭底漆，干膜厚度30 μm，间隔24 h候喷涂中间第二层厚凃型环氧中间漆，干膜厚度为150 μm，最后等中间层干后喷涂氟碳树脂面漆，干膜厚度需要达到60 μm。底座下平面可以采用冷喷锌，环氧封闭底漆，环氧煤沥青防腐面漆三道涂料工序。钻台面涂料施工采用环氧富锌底层+抗磨损环氧树脂中间层+抗磨损环氧树脂面漆3道工序。油腔内表面采用环氧酚醛树脂漆涂刷两道，每道厚度为（40～50）μm，固控馆外表面与钻井外表面涂刷工艺类似。设计采用的防腐喷涂工艺首先是设备表面处理，然后进行喷涂底漆，刮腻子后进行中间涂层，最后进行面漆的施工。薄板表面处理首先是需进行脱脂处理，再进行手工打磨，打磨后清洗干燥，然后再进行喷涂底漆。结构件的表面处理是用表面喷砂处理代理手工打磨。现场涂装的施工方法有辊刷、无气喷涂、空气喷涂等方法。

3 钻机防腐维护

在石油钻机使用过程中，设备外表面防腐被破坏，需要做现场修补。一般修补工艺流程：结构处理→表面处理→预先涂刷→冷喷锌→环氧封闭底漆→环氧中间漆→氟碳面漆。

底漆的施工方法：先将涂料进行混合，冷喷锌涂料容易沉淀，搅拌均匀后才施工，施工过程中应不时搅拌，防止沉淀。现场涂装方法为刷涂、辊涂、喷涂等方法，喷涂孔径为0.5 mm，喷出压力为10 MPa左右，喷枪的距离约为50 cm，第一道环氧封闭漆喷涂时，要加入20%的稀释剂，形成喷雾状，使得表面得到全部湿润以便更好的渗入到冷喷锌涂层中去。环氧中间漆的施工也可以采用喷涂，压力在100 kg/cm2，施工后湿膜厚度须在120 μm以上。最小涂装间隔为16 h，施工过程中每一道工序应保持表面清洁，避免厚度不足或者超标，中间漆应保持无气泡、无针孔，施工温度和湿度控制在合理的范围，漆膜干燥后应平整光滑。施工过程中也须穿戴好劳保用品，现场严禁明火，高空作业须做好安全防范措施，保证通风良好。

4 结语

石油钻机的防腐技术一直是石油工业长期面临的一个问题，特别是在钻机使用环境较为恶劣的地区，多次补漆效果仍不好，维护保养费用一直是笔较大的支出，维护不好容易造成设备使用周期缩短，甚至导致生产事故。本研究提出了对钻机综合防腐的方案，针对不同的适用地区设计不同的防腐方案，并根据不同的设备采用不用的防腐施工工艺和涂料配方，并在使用过程中须加强钻机的维护和保养，对设备腐蚀区进行修补涂漆，增加了防护时间，提高了钻机的防腐蚀能力，延长了钻机使用年限。

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