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石油钻采设备防腐蚀涂层失效原因分析及处理

2018-12-04 12:28:03
作者:李天雷,徐建琴,王凤英, 李云
来源:兰州兰石石油装备工程股份有限公司,兰州兰石重型装备工程股份有限公司

涂装作为石油装备最常用的防腐蚀手段,当涂层发生失效时,防腐能力将大大降低。粉化(褪色)、侵蚀、开裂、剥落、起泡、涂层机械破损等六类失效形式是石油钻采设备在沙漠、陆地和海洋服役环境下最常发生的失效行为。从涂层体系自身和环境作用出发,结合现场案例,论述了各类失效发生的原因,根据各类失效形式特点,提出了合理的处理措施。

    0 引言

 

    金属防腐蚀措施有很多种,但在金属表面涂覆有机涂层是目前最有效、最经济和应用最普遍的防护措施。涂层对金属的保护原理主要包括对金属基材的机械保护(一定程度上抵御或干扰外界破坏力)和阻绝金属服役环境中的腐蚀介质到达金属表面。石油钻采设备服役环境恶劣,其涂层要经历日晒、雨淋、风沙冲击、冷热交替、霜露等因素的不断侵蚀,相较于其他工程机械和钢构,涂层失效发生频繁,原因也更加复杂。涂层失效将导致金属防腐蚀涂层防腐能力大大减低,并引起基材腐蚀,影响石油钻采设备的使用寿命。对石油钻采设备涂层失效原因进行分析和总结,提出合理的处理方法,对恢复石油钻采设备涂层防腐能力,延长设备使用寿命有重要的意义。


    1  涂层失效类型及原因

 

    石油钻采设备主要的服役环境有三大类,即沙漠干旱环境、陆地大气环境和海洋潮湿环境。经过多年统计,石油钻采设备备在服役期间主要发生的涂层失效类型有粉化、侵蚀、开裂、剥落、起泡、涂层机械破损(磕伤、划伤)等六类,涂层失效形式所占比如表1中所示。


表1  各涂层失效形式比例

 

 

涂层失效形式

失效形式所占比例

粉化(褪色)

21.8%

侵蚀

3.2%

开裂

8.3%

剥落

18.5%

起泡

5.6%

涂层机械破损

42.6%


    有行业专家系统论述了涂层失效分析的方法和工作程序。目前,对涂料失效原因的分析方法有很多种,张蕾等对涂层失效研究方法做了较为全面的阐述。根据多年现场大量案例统计分析,结合学界对涂层失效的论述,对石油钻采设备主要涂层失效类型进行归纳,并对其失效原因进行分析。


    1.1涂层粉化

 

    涂层粉化发生的严重程度与服役环境及年限有很大的关系,已粉化涂层与未粉化状态相比,有一定程度的变色或褪色,粉化的严重程度与涂料成分中成膜物质(主要为树脂)和颜料的浓度有很大关系,用手或其他工具进行擦拭会有一层易碎的粉层。学术界普遍认为涂层的老化和涂层下金属发生腐蚀是导致涂层失效的主要原因,其中老化是导致涂层粉化发生的重要因素。紫外线对涂层的老化起决定性作用,这主要是紫外线附带能量与一般化学键能量接近,长期紫外线照射容易导致分子链断裂。粉化在环氧类涂料中表现的尤为明显,沙漠和西部干热地区使用的石油钻采设备发生粉化的频率和严重程度要高于其他地区。


    1.2涂层侵蚀

 

    涂层侵蚀主要表现为涂层的非机械磨损,严重时可导致金属底材的裸露,使得腐蚀介质接触基材,发生腐蚀。沙漠环境中服役的钻采设备侵蚀现象发生的尤为明显。李慧艳等研究表明,西部干热沙漠气候风沙流冲蚀磨损严重,风沙流速与涂层冲蚀失重重量近似呈指数关系。沙漠地区服役的石油钻采设备在风沙天气,尤其是大沙尘暴天气中,涂层被砂土和浮尘不断冲击,导致涂层严重磨损。


    1.3涂层开裂

 

    涂层开裂是潮湿、较大昼夜温差或海洋环境下涂层失效的主要形式,表现为涂层外观发生不连续的变化,根据裂纹的长度、延展性及密集程度,可以分为细裂、小裂、深裂和龟裂。细裂和小裂主要表现为涂层表面出现细微的浅裂纹,但通常未穿透整个涂层,小裂相较于细裂,裂纹相对更深更宽一点。深裂表现为涂层出现深度裂纹,甚至贯穿整个涂层。昼夜温度的变化导致涂层张力的交替性变化,是导致涂层的开裂原因之一,涂层的老化也会导致涂层变薄、脆化,乃至开裂。风沙冲击会诱发和导致开裂的发生,这是由于风沙冲击易导致涂层表面细裂和小裂,再加上温度交替变化,反复改变涂层与基体的膨胀系数,在反复的“热胀冷缩”过程中,使涂层细裂和小裂不断扩展至穿透涂层。


    1.4涂层剥落涂层剥落

 

    分为层间剥离和层内剥离,通常层内剥离发生的情况相对较少,主要的涂层剥落表现为层间剥落,层间剥落根据分离层位,又包括了底层剥离和层与层剥离。涂层剥落的原因相对比较复杂。底层剥离的原因主要有两方面,涂装前处理较差和涂层的阴极剥离,涂装前处理粗糙度较差,污染物清理不彻底等都会导致后期的底层剥离现象发生。有些情况下,条件所限采用手提动力工具除锈,除锈后未达到St3级,然后涂覆底漆,易造成底漆附着力不足,诱发底层剥离的发生,尤其是环氧富锌涂料。在涂层下金属发生电化学腐蚀,阴极反应或阴极产生物会影响涂层与基体金属的结合力,致使涂层从基体金属分离,产生阴极剥离现象,也会导致底层剥离的发生。王跃波等认为,由于水扩散受到浓度梯度、渗透压和温度梯度的作用,不断渗透入涂层底部,当涂层的湿附着力小于水压造成侧向压力,则水相会向侧向发展而引起涂层脱落。层与层剥离主要原因是涂层各道间不配套和前道涂层表面清理不彻底进行覆涂,导致层间附着力差。


    一服役6年的石油钻采设备漆膜局部发生涂层剥离现象,对已剥离涂层进行清理,发现涂层底部发生锈蚀导致漆膜从底材发生脱落。发生剥离区域周围涂层附着良好,这说明涂层配套和涂装前处理方法合理。对涂层剥落区域进行详细检查,发现腐蚀起源于个别点位。分析原因确认为底材局部清理不彻底,残留盐类等诱发底部腐蚀导致涂层剥离。


    1.5涂层起泡

 

    涂层起泡主要发生于海洋、沼泽及浅滩地区服役的石油钻采设备。主要表现为漆膜因受底部水汽或锈蚀物顶起,漆膜呈泡状凸起,严重时漆膜顶破,表现为点状锈蚀。气泡的发生主要与设备底材残留水溶性盐、金属底材与环境温度存在温度梯度或底材存在未完全清理的锈蚀物等。底材残留水溶性盐或锈蚀物,盐分和锈蚀物会吸收水汽并使漆膜内外产生浓度差,促使水汽不断渗透进入漆膜内部,在高湿度情况下(海洋等潮湿环境,相对湿度≥30%),涂层吸水和脱水过程都符合Fick第二扩散定律,使涂层底部水汽压不断升高,导致涂层被顶起,从而产生起泡现象。通常情况下,底材处理完好的涂层,有盐分和锈蚀物造成的起泡失效现象相对较少。设备底材与使用环境存在温度差,发生里冷外热是导致起泡发生的主要原因。这是由于温度较高一侧分子动能较大于另一侧分子动能,在涂层隔绝性能较差时,将导致水汽不断渗透入涂层内部,发生涂层起泡,甚至顶破漆膜导致腐蚀。涂层起泡的情况会伴随涂层的逐渐老化而更容易产生,这是因为伴随涂层的老化,涂层的孔隙率不断增大,涂层电阻不断减小,促使水汽等腐蚀介质进入涂层底部,导致起泡发生。徐永祥等研究表明,除油和表面可溶性盐的彻底与否是导致起泡发生的关键,除油不彻底时,起泡发生严重,除油不彻底时,起泡现象轻微。


    1.6涂层机械破损

 

    石油钻采设备大多数零部件重量很大,几吨甚至几十吨,且很多情况下需要在野外施工,由于起吊和施工条件所限,不可避免的会造成漆膜的机械性外力损伤。从制造过程中的转运、部件装配、产品成套总装试验、发运现场、现场组装及投入使用,都会不同程度不同范围的造成设备涂层的机械破损,严重的使金属基材裸露,导致腐蚀发生。一般来讲,石油钻采设备的使用环境较为恶劣,腐蚀性强,如果不能及时进行处理,将导致设备腐蚀的不断加剧,最终导致设备使用寿命缩减。对高压和关键承重部位发生锈蚀,甚至会诱发安全事故。涂层机械性损伤发生的原因主要有三个方面:一是未采用合理的起吊工具、例如钢丝绳与设备直接接触起吊。二是设备未设计起吊吊耳或起吊位置不合理。三是在装配或使用时人为磕碰或物体撞击破损。


    涂层机械破损是石油钻采设备,大型钢构等最普遍也最易发生的失效形式。笔者在工作中接触到的案例中很大比例都是人为或机械运行,运输过程中发生损伤。如:产品搬运过程中涂层发生划伤后暴露底材,且未及时发现和处理,局部范围涂层防腐能力失效:产品涂层底漆基本完好,中间漆及面漆完全破损,破损区域边缘为断层式破裂,且划痕明显,判断为工具或其他产品刮伤。


    2  各涂层失效类型处理方法

 

    涂层失效的及时发现和处理,对预防和阻止因涂层防护作用失效引发的腐蚀有非常重要的意义。针对石油钻采设备常发生的六种失效形式,笔者结合工作实践经验与行业内专家的研究,在表2中详细列举了六类失效情况的处理方法。不同的涂层失效形式,同一类失效形式发生的严重程度不同,都要合理采取修复措施,以达到回恢复涂层防护能力的目的。


表2  涂层失效处理方法

 

失效类型

预防方法

补救措施

粉化

采用耐老化涂料,例如在环氧涂层上覆涂聚氨酯面漆。

轻微粉化:手动砂纸或磨光机对粉化层进行清理并拉毛,彻底清理粉料并清洗表面污物,然后覆涂配套面漆。或局部扫砂后进行覆涂面漆。

严重粉化:冲砂处理,完全清理旧涂层,表面清理彻底至ISO Sa2.5级后进行重涂。

侵蚀

适度增加膜厚,但不宜超过350um,并采用耐磨性的面漆。

轻微侵蚀:拉毛表面并进行覆涂

严重侵蚀:彻底的冲砂处理,清理至ISO Sa2.5级或SSPC-SP 10级后进行重涂。

开裂

多道喷涂,下道施涂前上道漆必须实干,并采用“硬底韧面”的涂层配套,优先选择耐候性较好的涂料,避免涂层过厚。

小范围的细裂和小裂采用动力工具清理至St3级,清理干净表面后覆涂面漆。大面积开裂或发生严重开裂(泥裂、龟裂等)必须采用冲砂处理至ISO Sa2.5级或SSPC-SP 10级后按设计涂层体系施涂。

 

剥落

增加表面粗糙度提高底层附着力,但不宜超过总膜厚的1/3。上道漆表面必须完全清理干净后再涂装下道。

局部剥落时,对剥落发生区采用动力工具打磨清除,若底层剥离,彻底清理至St3级,打磨区域与保留涂层必须保证一定宽度的羽化带(过渡区),然后进行重涂(底漆选用与原配套兼容且附着力较强的涂料)。若层间剥离,清理剥落漆面,砂纸拉毛并清洗干净附着牢固的上道漆面,然后进行覆涂。剥落发生严重时,采用冲砂处理至ISO Sa2.5级或SSPC-SP 10级后按设计涂层体系施涂。

起泡

适当增加膜厚,但不宜超过350um

局部起泡,对起泡区及受影响区(起泡区外延约150mm范围内)采用动力工具打磨除锈,彻底清理至St3级,打磨区域与保留涂层必须保证一定宽度的羽化带(过渡区),并用清洗剂对表面的残余可溶性盐和锈蚀物进行彻底清洗,然后进行重涂。全面起泡或起泡严重时,采用冲砂处理至ISO Sa2.5级或SSPC-SP 10级后按设计涂层体系施涂。

机械破损

避免涂膜未干透吊转。漆膜实干的设备,必须采用纤维吊带吊运。在施工条件受限,必须采用钢丝绳时,需对钢丝绳与设备接触部位采用橡胶、棉布等进行防护。

定期对石油钻采设备涂层状态进行检查,对破损区域,发现后及时采用动力工具打磨清理至至St3级,打磨区域与保留涂层必须保证一定宽度的羽化带(过渡区),并用清洗剂对表面的残余可溶性盐和锈蚀物进行彻底清洗,然后进行重涂。若破损处已发生腐蚀,可选择与原配套兼容且附着力较强的涂料,为减轻新旧涂层色差进行必要的调色。


    3  结语

 

    涂层失效是一个比较复杂的问题,石油钻采设备服役环境恶劣,沙漠、陆地常规大气环境、海洋等各类环境因各自特点会引发不同的失效情况,涂层自身原因和外力损伤也会导致涂层的失效。根据笔者自身工作中实践经验,结合行业专家对涂层失效的研究,对粉化(褪色)、侵蚀、开裂、剥落、起泡、涂层机械破损六大类石油钻采设备涂层失效原因进行了详细的分析。总体来讲,涂层失效原因有5个方面:1)紫外线为主导导致的涂层老化;2)多风条件下风沙浮尘的不断冲击磨损;3)涂层体系搭配不当;4)环境介质渗透、侵蚀及诱发涂层底部腐蚀;5)人为或其他外力损伤。根据失效发生的原因和实际情况提出了预防和补救措施,工作中要以实际发生的失效类型和严重程度合理选择处理方法。对于轻微失效或小范围失效,可以通过手工或动力工具除锈,清理彻底后选择对表面处理要求较低的涂料进行修补。严重或大面积失效,必须采用喷砂、丸处理或扫砂处理,进行彻底清理后按设计涂层体系重涂。涂层机械破损是石油钻采设备最容易也最频繁发生的失效形式,但一直未得到重视。涂层的机械破损,一方面要重视对涂层破损的防护,规避外力导致的涂层破坏,另一方面要有专人定期对设备涂层状态进行检查,一旦发生涂层机械破损,要及时进行补救措施,完善已破损涂层。


    随着研究工具和方法的不断进步,对涂层失效的研究也会更加深入,相信对涂层失效的预防和处理也会更加全面和合理,为防腐事业的发展起到推动作用。

 

 

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 涂层失效, 处理, 粉化, 剥落, 机械破损

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