管道熔结环氧粉末涂层150度高温试验方案

管道熔结环氧粉末涂层150高温试验方案FBE TEST PROTOCOL FOR TEMPERATURE UP TO 150作者：哥伦比亚石油研究院M. M. Barragan等 翻译：王向农摘要：过去六年间，哥伦比亚深层油藏的勘探开发使油田采出液温度升高了40，原油输送管道的温度升高到120。随着油田的开发，管道的运行温度可能还会继续升高。石油天然气输送管道通常用防腐涂层系统防腐。多年来，熔结环氧粉末涂层（FBE）结合阴极保护已经成为油气管道最佳的防腐措施。但是，油田实际操作温度高于管道常规设计温度而导致环氧粉末涂层失效事故频发，时下这已经是不争的事实。本文阐述了操作温度高于150的条件下，熔结环氧粉末防腐系统的性能分析、选择和测试。目前还没有适合90以上温度进行环氧粉末涂层试验的实用标准。参照加拿大标准CSA Z245.20-10钢管熔结环氧粉末涂层，本文将试验温度调整为150，提出一套环氧粉末涂膜的试验方案。根据本项研究，开发了一套高温环氧粉末涂膜的试验方案。关键词：防腐涂层、高温、熔结环氧粉末、试验方案一、引言世界上许多正在开发或者即将开发的油藏都是高粘原油或者重质原油，开采和炼制都是比较困难的。随着许多老油田原油产量的持续下降，为了满足不断增长的能源需求，并且在居高不下的国际油价激励下，石油工业加大了高粘重质原油的开采力度。哥伦比亚新的原油供应商也在增加大重质原油的开采投入。然而，用开采重质原油时，管道需要输送温度高于80的油田采出液，有时管道输送的油田采出液温度甚至高达120。哥伦比亚大多数油田管道采用熔结环氧粉末防腐，这种性能优良的防腐涂层已经在许多侵蚀严重的环境中得到了验证，在世界上许多管道上已经成功使用了许多年。然而，考虑到目前高温油田采出液的实际生产条件，熔结环氧粉末防腐层的热稳定性是个值得关注的问题。涂层起泡、颜色变化、与钢管底材分层剥离，所有这些问题最终都会缩短管道防腐层的使用寿命。因此，我们对环氧粉末防腐层系统的热力性能开展了研究，与此同时，我们开发出一套适合评价环氧粉末涂层在最高150温度下的物理化学性能和物理机械性能的试验方案。本项研究包括一系列步骤，并如下开始：l 环氧粉末制造商工艺水平的调查。l 开发试验方案，包括适合环氧粉末涂层高温性能评价的标准试验程序和非标准试验程序。l 开发合格标准。l 在管道防腐厂进行涂敷和评价。l 确定筛选试验项目。l 现场管道安装和监测程序。二、开发环氧粉末涂层试验方案2.1 文献回顾、环氧粉末制造商调查和试验方案本项研究的最终目的是选择能够耐受150高温的环氧粉末涂料。因此，从浏览文献开始，对环氧粉末制造商进行了调查，从不同的供应商那里收集试验所需要的环氧粉末样品。目前市场上有售的环氧粉末涂料最高使用温度为95，主要因为其玻璃化温度（Tg）是110。如果这些环氧粉末涂料所处的使用条件高于其玻璃化温度时，环氧粉末涂料的机械性能和防腐能力都会减退。然而，涂料技术的最新研究成果已经开发出玻璃化温度高于140的环氧粉末，有望在较高的温度下依然能够维持环氧粉末涂层良好的防腐性能。为此，我们与环氧粉末供应商合作，共同开发了一套试验方案，用于评价和选择适宜的高温管道环氧粉末涂料。2.2 开发适用方案和合格标准为了开发涂料评价的方法，首先要明确研究的目的，了解现有标准文献中的最低要求，并从供应商那里广泛收集各种相关信息，然后，按照环氧粉末涂料的性能分类，制定适合的评价方案。如表1和表2所示，每项筛选试验都要建立合格标准，以便在涂敷过程中以及完成涂敷后，对筛选的不同高温环氧粉末涂料，进行系统的性能评价。表1 管道防腐厂里环氧粉末涂层试验项目和合格标准试验项目试验条件观察报告胶凝时间环境温度*记录环氧粉末涂料在底材上的固化时间漏涂点检测环境温度*每根完成涂敷的管子最多9个漏涂点（供应商应提供相应的涂层缺陷修补方案）*）环境温度处于20至27的范围内。表2 固化的环氧粉末涂层试验项目和合格标准试验项目试验条件观察报告耐磨性环境温度*在1505温度下热老化28天，然后按照ASTM D4060标准，用API RP 5LP-01标准规定的CS-17砂轮，进行1000次研磨，评价其耐磨性能。规定1000次研磨后最大磨耗300 mg。冲击强度环境温度*在1505温度下热老化28天。从防腐管段上切割样品。试验用0.625英寸的冲头。按照ASTM D2794标准进行试验，合格标准为API RP 5LP-01标准确定的最小冲击能量1.70 J（15英寸-磅）。柔韧性环境温度*用万用试验机采用三点弯曲荷载进行试验。按照CAN Z245.20-0/Z245.21-10标准规定，弯曲2时涂层不得开裂。附着力1505按照ASTM D4541标准用机械设备在下列条件下进行拉离试验：a) 热老化后（150528天）；b) 暴露一天后在150温度下。与底材的附着力1400磅/平方英寸是可接受的最小标准。湿态附着力1505试验条件为1505浸泡28天4小时，涂层样品浸泡前要预热试验用淡水。按照CAN Z245.20-0/Z245.21-10标准规定，附着力等级必须小于2。化学溶液浸泡955400小时样品在1505温度下热老化28天，然后浸泡在两种溶液里：一是pH 3的溶液（10%浓度氯化钠溶液硫酸和蒸馏水）；另一是pH 70.2的溶液（10%浓度氯化钠和蒸馏水）。涂层不应变色，也不应发生腐蚀、起泡、软化或分层剥离。阴极剥离a) 1505b) 1305c) 955样品浸泡在3%浓度氯化钠溶液里，在1.5 V电压下进行14天试验。各种温度下的合格标准：a) 在150，最大阴极剥离半径8 mm；b) 在130，最大阴极剥离半径8 mm；c) 在95，最大阴极剥离半径20 mm；*）环境温度处于20至27的范围内。2.3 在管道防腐厂环氧粉末的涂敷和评价在管道防腐厂涂敷前，预选的环氧粉末涂料的每家供应商提供原料样品和他们自己的测试结果。要求这些供应商提供的测试数据至少包括环氧粉末的固化时间、水分含量、粉末粒度、密度和热力特性。此外，为了验证各家供应商所提供的数据，在管道防腐厂实验室里进行了复检试验。如果两者试验结果相符，本文评价过程中就不再重复进行这些试验。表3所列是环氧粉末原料的各种试验项目以及合格标准。表3 环氧粉末原料的试验项目和合格标准试验项目试验条件观察报告DSC差示扫描量热仪不适用记录DSC实测数据，并与环氧粉末制造商提供的数据进行比较。水分含量环境温度*根据存在液体的蒸发量计算出重量损失。所得值与环氧粉末制造商提供的数据进行比较。粉末粒度环境温度*记录每种环氧粉末原料的丸粒或者颗粒的大小粒度。与环氧粉末制造商提供的数据进行比较。密度环境温度*根据质量/体积比值进行计算。与环氧粉末制造商提供的数据进行比较。胶凝时间环境温度*测量环氧粉末原料的凝固时间。与环氧粉末制造商提供的数据进行比较。*）环境温度处于20至27的范围内。在管道防腐厂的涂敷工艺包括下列步骤：l 目测检查管子：证实管子表面是干净的，没有氯化物、铁锈、油分、咬伤、扭曲、椭圆形状管口、开坡口的边和其他瑕疵。l 表面清理准备：核实露点的测量，管子预热和清理钢管表面采用的喷丸清理方法。接着。按照环氧粉末原料供应商的指导说明以及NACE 1/SSPC SP5标准要求，实施钢丸清理，直至钢管达到白色金属表面的清洁度和理想的表面粗糙度。l 表面清理准备状况的检查：一一验证清洁度等级、表面污染程度、表面粗糙度、管子温度。l 酸浴和高压清洗：通过酸浴除去盐分和氯化物（核对浸泡时间）；进行高压清洗时应检查水的电导率和pH值。l 钢管表面预热：涂敷环氧粉末之前，用温度指示笔验证供应商提供的每种环氧粉末产品的推荐温度。l 钢管涂敷过程：需要检查静电喷粉枪的位置、喷粉压力和流量、胶凝时间、固化时间以及在管子范围内喷枪向前移动的速度。l 冷却：通过一个水浴，需要控制温度和暴露时间。l 目测检查：用串联方法进行电绝缘性检查，在最后检验工作台上以127 V/密耳的电压进行漏涂点检测。按照环氧粉末供应商规定的限度范围，检查涂层的干膜厚度。为了确保工作的恰当实施和后续工作的开展，每家环氧粉末供应商应当提供产品的有关数据，如干膜厚度 底漆和面漆（假如有的话）、涂敷温度、胶凝时间等。此外，考虑到高温管道环氧粉末的特点，管道防腐厂的涂敷工艺必须进行适当的调整，主要有：l 喷枪l 粉末颗粒的喷射压力l 管子向前移动的速度l 涂层的冷却距离在管道防腐厂完成涂敷后，在不同的环氧粉末涂层管子上取样，接着进行涂层的质量控制测试检查，验证涂敷工艺和涂层的质量。这些试验都是按照加拿大标准CAN Z245.20-10进行的。表4所示是进行的各种试验。表4 按照管道防腐厂质量控制系统进行的试验试验项目观察报告目测检查对涂层进行全面检查。必须没有任何会影响涂层完整性的缺陷。干膜厚度沿管子选择三处测量点：两个离管端300 mm处，一个在管子中间。在每个测量点，围绕管子直径每隔90度测量一次厚度，共测量四个厚度值。实测涂层厚度必须处在环氧粉末供应商规定范围之内。漏涂点检测用漏涂点检测仪检查涂层，根据涂层厚度，按127 V/密耳设定检测电压。允许单根防腐管子最多9个漏涂点。必须用环氧粉末供应商批准的涂料修补漏涂点。阴极剥离试验条件：653，24小时，3.5 V。合格标准：最大剥离半径6.5 mm。湿态附着力试验条件：753，24小时。合格标准：最大附着力3级。孔隙度检查涂层横断面与界面的孔隙数量。合格标准：最大孔隙度4级。冲击强度在0温度下用3.0焦耳进行冲击试验，再按127 V/密耳设定检测电压进行漏涂点检测。合格标准：没有任何裂纹或漏涂点。柔韧性试验条件：在0温度下弯曲2。合格标准：涂层没有任何裂纹或漏涂点。差示扫描量热仪测定玻璃化温度、放热反应热量和转化率。合格标准：T 5界面污染检查涂层与金属之间的界面，确定污染百分率。2.4 防腐管道的安装和现场评价在以前选择的油藏原油最高温度120的重质原油生产油田，安装了接受试验的环氧粉末防腐管道。现场焊缝也采用熔结环氧粉末作为补口涂料，使整条管线构成完全一样的防腐体系。环氧粉末涂料供应商负责现场焊缝的补口。管线完成安装后，六个月为一个监测周期，确定焊缝补口的检查评价时间不超过三年。这些数据是对实验室试验结果很好的补充。三、结果为了开展本项研究，根据技术要求、应用领域、需要保护的管道的特殊条件和基础设施的状况，从各种环氧粉末产品中，初步筛选了两家供应商的四种环氧粉末涂料，用于开展高温管道防腐可行性研究。表5列出了选用的环氧粉末涂料和管道防腐厂采用的涂敷工艺，它们都适合钢管最高表面温度150的使用条件。表5 初步筛选的环氧粉末涂料供应商管道防腐层系统防腐涂层底漆面漆AA-1（单层熔结环氧粉末）环氧粉末产品1A-2（双层熔结环氧粉末）环氧粉末产品1环氧粉末产品2BB-1（单层熔结环氧粉末）环氧粉末产品3B-2（双层熔结环氧粉末）环氧粉末产品3环氧粉末产品43.1 管道防腐厂涂料的涂敷和评价图1所示是管道防腐厂的环氧粉末涂敷工艺，它们能够满足防腐层系统供应商提出的合格标准。图1 管道防腐厂环氧粉末涂敷工艺a）管子预热；b）记录金属温度；c）涂敷；d）冷却在管道防腐层系统A1、A2、B1、B2接受试验过程中，确定环氧粉末涂料有良好的外观和均质的材料，如图6所示，环氧粉末原料的实际试验结果与供应商规定的技术数据相符。这些技术参数都处在最新版的加拿大标准CSA Z245.20规定要求范围之内。表6 环氧粉末原料的测试结果试验项目单位A-1（环氧粉末产品1）A-2（环氧粉末产品2）规定值实测值规定值实测值胶凝时间秒8 129.0013 1915水分含量% 0.50.29 0.50.32粒度% 1.0（177微米）0.04 1.0（177微米）0.09密度Gr/cc1.520.051.531.640.051.59DSC差示扫描量热仪试验Tg1 = 48.9656.3Tg1 = 54.6761.2Tg2 = 139.09133.5Tg2 = 103.36104.6J/gH = 122.2119H = 35.5748.3试验项目单位B-1（环氧粉末产品3）B-2（环氧粉末产品4）规定值实测值规定值实测值胶凝时间秒7 119.0012 1814水分含量% 0.60.35 0.60.44粒度% 3.0（150微米）0.1 3.0（150微米）0.15密度Gr/cc1.350.051.371.390.051.42DSC差示扫描量热仪试验Tg1 = 55856.4Tg1 = 60660.7Tg2 = 1639154Tg2 = 96597.7J/gH = 14520158H = 502067.6图2 管道防腐厂的测试 a）DSC差示扫描量热仪；b）阴极剥离；c）湿态附着力；d）孔隙度和柔韧性弯曲试验如图2所示，按照加拿大标准CSA Z245.20，在管道防腐厂评价了涂敷的环氧粉末涂层。如表7所示，所得结果与标准要求相符。表7 环氧粉末涂层的试验结果试验项目A-1A-2B-1B-2阴极剥离合格标准：最大剥离半径6.5mm2.21 2.523.02 3.081.832.83 3.65湿态附着力合格标准：最大附着力3级1级和2级1级1级1级冲击强度合格标准：无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点涂层柔韧性合格标准：无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点无裂纹，无漏涂点孔隙度界面/横断面合格标准：最大孔隙度4级1级/1级1级/2级1级/2级1级/2级DSC测定固化程度合格标准：T 543.81.11.63.2 试验方案评价结果按照提出的高温管道环氧粉末涂层试验方案，对管道防腐厂涂敷的环氧粉末涂层进行了试验评价，表8所示是所得结果平均值。表8 在150温度下管道环氧粉末涂层的试验结果试验项目A-1A-2B-1B-2耐磨性试验150, 28天 16 mg/1000次 17 mg/1000次 16 mg/1000次 20 mg/1000次冲击强度试验150, 28天，干150, 1天 66磅/英寸合格 60磅/英寸合格 62磅/英寸合格 52磅/英寸合格 80磅/英寸合格 76磅/英寸合格 48磅/英寸合格 3200无失效2100/225010%G /10%C, 90%A 3200无失效2100/300040%C, 60%G /100%G2800/300010%A, 90%G /15%A, 85%G2100/2300100%G /100%G 3200无失效湿态附着力分类 附着力1级分类 附着力1级分类 附着力1级分类 附着力1级化学溶液浸泡试验颜色变化严重颜色变化严重颜色变化严重颜色变化严重阴极剥离（mm）2.3, 2.6, 3.72.8, 3.0, 3.23.0, 3.7, 4.93.1, 3.8, 4.5*）失效类型：A粘着失效；C内聚失效；G胶粘失效。3.3 防腐管道的安装和现场评价现场焊缝也采用熔结环氧粉末作为补口涂料。补口作业过程中，记录了各项技术参数：表面粗糙度、补口部位加热后的钢管表面温度和补口环氧粉末涂敷后的温度、补口涂层的厚度，外观检查状况。此外，所有焊缝补口按照ASTM D4541标准进行了附着力试验，测试了“拉离附着力”，进行了漏涂点检测。焊缝补口冷却后，进行外观检查，并用漏涂点检测仪检查涂层的漏涂点缺陷。单层环氧粉末涂层用2000V电压检测，双层环氧粉末涂层用3500V电压检测，见图3。图3 现场检查：a）表面粗糙度；b）钢管温度c）漏涂点检测；d）附着力试验表9列出了焊缝补口作业数据。记录的表面粗糙度介于2.5密耳和3.5密耳之间。用气动设备进行拉离附着力试验，表9归纳了环氧粉末涂层与底材的附着力以及焊缝补口涂层的附着力的平均值。表9 焊缝补口作业条件和测试结果试验项目A-1A-2B-1B-2环境温度28383635露点23.523.722.322.2相对湿度67.5%76.1%43.5%55.1%涂敷时间4:00 pm11:50 am4:00 pm11:50 am钢管温度195 200195 200192 199176 214搭接缝附着力2300 psi*2000 psi*1700 psi*1500 psi*失效类型胶粘失效胶粘失效胶粘失效胶粘失效焊缝补口附着力2400 psi*3000 psi*3300 psi*2100 psi*失效类型胶粘失效胶粘失效胶粘失效胶粘失效*) psi -（磅/平方英寸）四、结果的分析开采高温油藏时，需要对油田生产设施进行更好的防腐保护，防腐涂层在高温条件下应当依然保持应有的良好防腐性能。因此，涂料制造商一直在研究开发能够满足这一要求的新产品。目前，市场上性能优良的熔结环氧粉末产品已经能够满足150高温的管道用途。本项研究是涂料制造商、管道防腐厂和最终用户多方合作的成果。有的提供试验样品，有的提供技术支持，有的提供试验装备。此外，为了达到最佳的环氧粉末涂层质量，还对高温环氧粉末用的涂敷设备进行了专门研究，例如，研究了喷枪的数量、布置和喷射角度，研究了环氧粉末的喷射压力，研究了生产线上管子向前移动的速度以及涂层的冷却时间等。为了验证试验方案的有效性，对照相关技术标准，对环氧粉末原料和涂层进行了评价。不过，仍有必要开发一个非标准化的程序，专门用于评价150高温下熔结环氧粉末涂层的性能。虽然熔结环氧粉末涂层按照现有技术标准提出的正常条件进行了评价，但是，评价结果无法说明涂层在高温下存在的功能性问题，也不符合规定的合格标准。然而，按照非标准化程序或者说改良的标准化程序进行评价时，所得结果是十分理想的，可以满足试验期间所有物理机械性能要求。通过单层环氧粉末涂层（试验样品A-1和B-1）的试验，发现涂层的机械性能与玻璃化温度Tg之间有明确无疑的关联关系，在此玻璃化温度约为140。但是，双层环氧粉末涂层（试验样品A-2和B-2）的试验没有维持这样的关联关系，在此，环氧粉末底漆的玻璃化温度为140，而环氧粉末面漆的玻璃化温度为100，具有极佳的物理机械性能。同样，无论是单层环氧粉末涂层还是双层环氧粉末涂层，浸泡在高温化学溶液里后，涂层发生了退化变质，受温度影响，颜色变化严重。五、结论最近刚刚开发成功适合150高温用途的熔结环氧粉末涂料，但是，还没有任何现场应用的记录。本项研究的第一步是探讨这种高温环氧粉末涂料在重质油田和高温采出液输送管道上的应用。对标准化试验程序和非标准化试验程序进行了必要的改进，以便评价熔结环氧粉末涂层在这样高温管道中的使用性能。开发了一个初步的试验方案，可以对高温条件下使用的环氧粉末的品质进行评价。我们是第一个尝试用这种新的试验方案获得数据的。不过，还需要开展更多的实验室研究和现场应用，才能确认本项试验方案的技术完整性。参考文献（本文译自NACE C2012 0001535）14