油田用玻璃钢管与碳钢管的耐腐蚀性能浅析

张伟福，魏 军，杨建中，刘 波，谭 毅，魏亚秋

（中国石油集团工程材料研究院有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

玻璃钢是指由玻璃纤维增强材料嵌入已固化的热固性树脂中，或被其包裹形成复合结构的材料。国内油田每年大量使用石油管，腐蚀是石油管的主要失效形式之一，油田用玻璃钢管是为油田防腐蚀而发展起来的石油管新品种。玻璃钢管是由热固性树脂、玻璃纤维通过机械缠绕而制成的多相复合材料管道，其中热固性树脂是基体，玻璃纤维是增强材料。玻璃钢管的制管工艺既可以保持原材料的特性，又能发挥复合材料的新性能，极大地提高了材料的理化性能。油田用玻璃钢管有玻璃钢管线管、玻璃钢油管、玻璃钢套管，主要用于注水、注二氧化碳、原油输送、注聚合物、采油，生产工艺采用模压、离心铸造、纤维缠绕。

油田用玻璃钢管采用防腐性能优异的热固性树脂和高强玻璃纤维，通过设定的铺层工艺缠绕而成，具有天然的耐腐蚀性，使用寿命长，其设计使用寿命可达到30～50 年。钢管在储存、使用过程中，会因化学、电化学的作用产生局部电池反应，表面极易生锈，因此，需要对其表面进行特殊除锈、防锈处理，玻璃钢管由于是非金属材料制成，电极电位高，表面不会发生氧化锈蚀，对各种强酸强碱、各种无机盐溶液、氧化介质、硫化氢、二氧化碳、各种表面活性剂、聚合物溶液、各种有机溶剂等都可以长期耐受。玻璃钢管在防腐蚀方面的应用，与其他防腐蚀措施对比，综合成本低，技术经济效益好，在油田地面管线集输、井下油套管、注水管等方面得到了广泛应用，玻璃钢管已经成为油田中用量最大、耐腐蚀性最好、最有前途的非金属管。本文通过对油田玻璃钢管和碳钢管在相同酸、碱等复杂条件下，不同介质中的耐腐蚀情况进行试验，并对试验结果进行分析。

1 试验工艺设计

腐蚀度是将试样浸入保持一定温度的腐蚀介质中，经过一定时间后，测量其重量的变化并计算单位表面积的重量变化值。它能较准确地反映出玻璃钢管与碳钢管在同等条件下，表面的耐腐蚀情况。本文试验工艺设计如下：

（1）在相同试验条件下，配制15%HCl 溶液，15%H2SO4溶液，15%NaOH 溶液，15%HNO3溶液各8 等份，12%HCl+4%HF酸化溶液4 等份。

（2）在相同试验条件下，切割制作玻璃钢管和碳钢管试样各17 块。

（3）清洗干净所有的试样，经完全干燥后分别对所有试样称重，并计算出每块试样的表面积。

（4）将所有试样放入不同溶液中，分别进行标识。

（5）将玻璃钢管和碳钢管分别放入配好的15%HCl 溶液，15%H2SO4溶液，15%NaOH 溶液，15%HNO3溶液共4 组，分别进行：①常温放置4 h、8 h、12 h、24 h；②放入60 ℃的烘箱中，放置4 h、8 h、12 h、24 h；③放入70 ℃的烘箱中，放置4 h、8 h、12 h、24 h；④放入90 ℃的烘箱中，放置4 h、8 h、12 h、24 h；在4 h、8 h、12 h、24 h 的4 个时间段取出试样，用清水洗净，完全干燥后称重，分别计算出试样的腐蚀度。

（6）将玻璃钢管和碳钢管分别放入配好的12%HCl+4%HF酸化溶液、12%HCl+4%HF 酸化溶液为一组，共2 组，分别进行：①常温放置4 h、8 h、12 h、24 h；②放入40 ℃的烘箱中，放置4 h、8 h、12 h、24 h；在4 h、8 h、12 h、24 h 的4 个时间段取出试样，用清水洗净，完全干燥后称重，分别计算出试样的腐蚀度。

玻璃钢管和碳钢管在不同介质下的腐蚀度见表1～表5、图1～图10。

图10 腐蚀度随温度变化曲线（12%HCl+4%HF）

表5 试样在（12%HCl+4%HF）酸化溶液中的腐蚀度 g/cm2

2 试验分析

从表1、图1 和图2 可以看出，碳钢管试样在15%HCl 溶液中的腐蚀度随时间的增加而缓慢增大，玻璃钢管试样在15%HCL 溶液中的腐蚀度随时间的增加而保持不变；碳钢管试样在15%HCl 溶液中的腐蚀度随温度的升高急剧增大，玻璃钢管试样在15%HCl 溶液中的腐蚀度随温度的升高而保持不变。玻璃钢管在15%HCl 溶液环境下腐蚀度不随时间和温度变化而变化。

图1 腐蚀度随时间变化曲线（15%HCl）

图2 腐蚀度随温度变化曲线（15%HCl）

表1 试样在15%HCl 溶液中的腐蚀度 g/cm2

从表2、图3 和图4 可以看出，碳钢管试样在15%H2SO4溶液中的腐蚀度随时间的增加而增大，玻璃钢管试样在15%H2SO4溶液中的腐蚀度随时间的增加而保持不变；碳钢管试样在15%H2SO4溶液中的腐蚀度随温度的升高而增大，玻璃钢管试样在15%H2SO4溶液中的腐蚀度随温度的升高而保持不变，但玻璃钢管在15%H2SO4溶液环境下腐蚀度不随时间和温度变化而变化。

表2 试样在15%H2SO4 溶液中的腐蚀度 g/cm2

图3 腐蚀度随时间变化曲线（15%H2SO4）

图4 腐蚀度随温度变化曲线（15%H2SO4）

从表3、图5 和图6 可以看出，碳钢管试样在15%NaOH 溶液中的腐蚀度随时间的增加而增大，但变化比较缓慢；玻璃钢管试样在15%NaOH 溶液中的腐蚀度随时间的增加而保持不变；碳钢管试样在15%NaOH 溶液中的腐蚀度随温度的升高初期变化不明显，随着温度的继续升高突然增大，但玻璃钢管试样在15%NaOH 溶液中的腐蚀度随温度的升高而保持不变。玻璃钢管在15%NaOH 溶液环境下腐蚀度不随时间和温度变化而变化。

表3 试样在15%NaOH 溶液中的腐蚀度 g/cm2

图5 腐蚀度随时间变化曲线（15%NaOH）

图6 腐蚀度随温度变化曲线（15%NaOH）

从表4、图7 和图8 可以看出，碳钢管试样在15%HNO3溶液中的腐蚀度随时间的增加而增大，且变化比较快；玻璃钢试样在15%HNO3溶液中的腐蚀度随时间的增加而保持不变；碳钢管试样在15%HNO3溶液中的腐蚀度随温度的升高而增大，玻璃钢管试样在15%HNO3溶液中的腐蚀度随温度的升高而保持不变。玻璃钢管在15%HNO3溶液环境下腐蚀度不随时间和温度变化而变化。

表4 试样在15%HNO3 溶液中的腐蚀度 g/cm2

图7 腐蚀度随时间变化曲线（15%HNO3）

图8 腐蚀度随温度变化曲线（15%HNO3）

从表5、图9 和图10 可以看出，碳钢管试样在（12%HCl+4%HF）酸化溶液中的腐蚀度随时间的增加而增大，且变化较快，玻璃钢管试样在（12%HCl+4%HF）酸化溶液中的腐蚀度随时间的增加而增大，但变化相对缓慢；碳钢管试样在（12%HCl+4%HF）酸化溶液中的腐蚀度随温度的升高而增大，且变化较快，玻璃钢管试样在（12%HCl+4%HF）酸化溶液中的腐蚀度随温度的升高而增大，但变化相对缓慢。玻璃钢管在（12%HCl+4%HF）酸化溶液环境下的腐蚀度远远低于碳钢管。

图9 腐蚀度随时间变化曲线（12%HCl+4%HF）

以上试验结果显示碳钢管在酸、碱及酸化溶液中反应明显，易腐蚀，而玻璃钢管在酸、碱及酸化溶液中不易腐蚀，耐腐蚀性能十分优越。

3 结语

碳钢管在油田的平均使用寿命为5～8 年，在潮湿地区使用寿命3 年，而玻璃钢管的平均寿命为30 年，大大提高了管道的使用寿命。玻璃钢管采用的是酸酐、胺类固化剂，高温固化的环氧树脂体系，对于原油、盐水、酸、碱、氯化物、溶剂、二氧化碳、天然气、土壤与大气环境等有优异的耐腐性，这些介质对传统的碳钢管材有很强的腐蚀作用。腐蚀给油田造成了巨大损失，玻璃钢管因其耐腐蚀性，在油田有广阔的应用前景。