羊东明1，朱原原1，肖雯雯1，匡 园2，于延钊2
(1.中石化西北油田分公司 石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830441；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)
摘 要：通过对塔河油田在役油气集输管道单井管线内涂层进行外观检查、SEM微观分析、金属基体EDS分析、抗阴极剥离性能、附着力、硬度和抗冲击性能等的测试，评价其在服役工况下的适应性。结果表明，在役管段内涂层整体表面光亮平整，无鼓泡、损坏和脱落现象，虽存在有微孔，但涂层整体与基体接合紧密，几乎无分离现象，内涂层未发生化学变化，热稳定性良好，抗阴极剥离性能优异，且涂层的基本物理性能仍然满足设计标准，说明此内涂层服役3年后性能未发生明显变化，具有良好的保护性能，完全适应服役工况。在役管段内涂层的漏点、微孔以及极少部位的分离是在涂层涂覆过程中形成的，因此，在施工过程中应采取适当的措施来避免类似问题发生。
关键词：油气；集输管道；内涂层
内涂层技术因具有使用成本低、操作方便和防腐效果好等特点而广泛应用于油气田管道的内防腐[1-4]。防腐蚀涂层除了应具备很好的防腐性能外，还要求与金属基体能够紧密接合，在一定的外力和变形机制下，仍能保持涂层完好，并具有优良的抗渗性能，能够长期服役于腐蚀性介质的浸泡和冲刷环境中[5-10]。实际上，涂层不可避免地存在微孔、裂缝及涂料组分不均匀等缺陷，随着时间的推移，腐蚀性介质会经逐步形成的传输通道到达金属表面，而使金属发生腐蚀，涂层也很快失效并脱落。对于在腐蚀性环境下正在服役的内涂层，其失效主要与涂层的起泡、湿附着力以及腐蚀性离子在涂层内部的传输等因素相关[11-16]。本文对集输系统的在役管道内涂层开展各项性能试验评价，以研究其腐蚀失效特点和规律，评估其在服役环境中的适用性。
本文研究的内涂层服役管段为塔河油田某单井管线，型号为20#，规格为φ89 mm×5 mm，管线长度为1.78 km。内涂层为无溶剂液体双组分环氧涂层(无溶剂过渡层300 μm+无溶剂防腐层200 μm)，采用风送挤涂法涂覆，生产工艺为注水替油，2013年10月12日投产使用。
通过对在役内涂层管线的宏观检查、物理性能测试、SEM微观分析、热重分析和阴极剥离试验等试验测试，评估其在服役环境中的适应性。
2.1 宏观检查
试验分析管段取自现场单井管线，长度为1.2 m，机械切割对称剖开管段，清洗管段内部污垢，清洗后内涂层宏观形貌如图1所示。由图1a可以看出，内涂层表面光亮平整，无鼓泡、损坏和脱落现象。涂层测厚仪测得涂层平均厚度为1 200 μm。用电火花测漏仪对管段内表面涂层进行扫描，发现2处漏点(见图1b和图1c)，分别位于焊缝处和基体处，漏点直径约为1 mm。对漏点位置的金属基体进行观察，未发现穿孔和明显的腐蚀现象，说明涂层整体完整性良好，依然能够保护金属基体免受腐蚀介质的侵蚀。
图1 管段清洗后内涂层宏观形貌
2.2 SEM微观分析
为了解涂层内部的微观形貌，对管段内涂层的2个漏点进行截面SEM分析，其SEM微观形貌如图2所示。由图2可知，管体和焊缝处的涂层漏点直径分别为0.8和1 mm，漏点在纵向延伸方向并未到达金属基体，金属基体与涂层界面接合良好，无分离现象，说明此2处漏点虽为缺陷，但并没有形成腐蚀介质的传输通道，内涂层对金属管道起到了很好的保护作用。
图2 在役管段内涂层漏点截面SEM微观形貌
在涂层截面微观形貌观察的过程中，在其他部位发现涂层内部存在许多微孔(见图3)，直径约为200 μm，微孔内无腐蚀介质或腐蚀产物，判断为在涂层涂覆过程中所形成。
图3 在役管段内涂层截面SEM微观形貌
涂层/金属基体截面某点的金属基体EDS分析结果如图4所示。由图4可以看出，在界面接合处金属侧有不同形态的组织出现，且此处界面接合不紧密，出现了涂层和金属基体的分离现象，经EDS分析得到金属侧是铁的氧化物。由此可以说明，在施工过程中，对管道内表面的预处理不够彻底，仍有金属氧化物存在。
图4 在役管段截面金属基体EDS分析
2.3 热重分析
热重分析(Thermogravimetric Analysis，TG)是评价聚合物热稳定性的最简单有效的方法，它常用于物质的分解、升华、蒸发、氧化、还原、吸附和脱附等伴随有质量变化的过程。服役管段内涂层TG结果如图5所示。由图5可以看出，在管段服役工况温度为50～60 ℃条件下，内涂层TG为99.5%，说明在腐蚀条件下内涂层未发生化学变化(分解、降解、聚合、交联等)或者物理变化，整体性能保持良好。在较高温度测试条件下，涂层仍未发生分解或氧化等其他反应，说明管段内涂层经过3年的服役后依然保持了良好的热稳定性。
图5 在役管段内涂层热重分析曲线
2.4 阴极剥离试验
按照GB/T 23257—2009[17]和ASTM-G8[18]规定的基本方法对管段内涂层进行阴极剥离试验。试验在室温条件下进行，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为涂层试片，电解质溶液为3%NaCl。连接好试片、电极，加入电解质，利用电化学工作站进行测试。阴极电压为1.5 V，室温，48 h，试验结束后，取下试样，以孔为中心，用锋利的小刀划出放射线至少20 mm，然后用刀尖从孔处开始插入涂层，沿射线方向撬剥涂层，测量撬剥距离，并求其平均值，即为该试样的阴极剥离半径[19]。涂层设计采用的阴极剥离指标为半径≤8 mm，试验测得服役后管段内涂层的阴极剥离半径为2.03 mm(见图6)，说明该服役内涂层与金属基体之间接合性能良好，仍能达到设计的技术标准要求。
图6 管段内涂层阴极剥离实验划线照片
2.5 物理性能测试
为了更好地评价在役管段内涂层的工况适应性，对管段内涂层的基本物理性能进行测试，评价标准和涂层性能结果见表1。由表1可以看出，管段内涂层的附着力、硬度和耐冲击性能都满足评价标准，说明该管道内涂层经过3年的服役工况后依然具有良好的物理性能；但是测得的涂层厚度从600到1 800 μm，说明涂层不均匀。
表1 在役管段内涂层物理性能
序号项目标准要求服役涂层性能评价标准1厚度>400μm600～1800μm 涂层厚度检测分析2附着力>1级2级 SY/T0442—1997附录B《涂层的附着力试验方法》[20]3硬度5H2H GB/T6739—1996《涂膜硬度铅笔测定法标准》[21]4抗冲击性能(25℃，6J)无针孔无针孔 SY/T0315—2005附录F《涂层的抗冲击性能试验》[22]
通过上述研究，得出如下结论。
1)在役管段内涂层整体表面光亮平整，无鼓泡、损坏、脱落，虽有微孔存在，但涂层整体与基体接合紧密，几乎无分离现象；服役条件下内涂层未发生化学变化，热稳定性良好，抗阴极剥离性能优异，且涂层的基本物理性能仍然满足设计标准，说明此内涂层服役3年后性能未发生明显变化，仍然具有良好的保护性能，完全适应于服役工况。
2)在役管段内涂层的漏点、微孔以及极少部位的分离是在涂层涂覆过程中形成的，因此需要在施工过程中通过采取适当的措施来避免类似问题发生。
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责任编辑 马彤
Study on Performance of In-service Inner Coatings in Oil and Gas Gathering and Transportation Pipelines
YANG Dongming1, ZHU Yuanyuan1, XIAO Wenwen1, KUANG Yuan2, YU Yanzhao2
(1.Northwest Oil Field Branch Company Petroleum Engineering Technology Research Institute, Urumqi 830441, China; 2.China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China)
Abstract：In this paper, appearance observation, scanning electron microscopy, energy dispersive spectrometer analysis, cathode stripping, adhesion, hardness and impact resistance are used to evaluate adaptability of inner coating in service condition of single-well pipeline in the oil and gas gathering and transportation pipeline of Tahe Oilfield. The results show that the whole surface of the coating is bright and smooth, no blistering, no damaging and no shedding. Although the micropores are present, the whole coating is close to the matrix, with almost no separation, and the coating takes no chemical changes and has good thermal stability and excellent anti-cathode stripping performance under service conditions. The basic physical properties of the coating still meet the design standards. It is can be concluded that the inner coatings don’t change obviously in three years, with good protecting performance and fully adapting to in-service condition. The leakage, micropores and separation of the coating in the in-service pipe section are formed during the coating process. Therefore, appropriate measures should be taken during the construction to avoid similar problems.
Key words：oil and gas, gathering and transportation pipelines, inner coatings
中图分类号：TG 174.461
文献标志码：A
作者简介：羊东明(1962-)，女，教授级高工，主要从事油田腐蚀与防护工艺等方面的研究。
收稿日期：2017-04-28
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