CN110670011A - 一种自抛光防腐防垢涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自抛光防腐防垢涂层，由内至外依次为，惰性金属层、活泼金属层、封孔层，依次制备于油管、套管或地面管道内外壁上；其制备方法是，步骤1，采用热喷涂方法，将惰性金属喷涂在管道外壁，作为惰性金属层；步骤2，采用热喷涂方法，将活泼金属喷涂在惰性金属层外，作为中间层；步骤3，采用刷涂方法，将材质为高分子或钝化液态合金刷涂在中间层外，作为复合涂层的表层；在高矿化度水中，该涂层会发生逐层剥蚀，使垢和腐蚀产物难以附着，具有自抛光、防腐、防垢的特点。

Description

一种自抛光防腐防垢涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于油气田腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种自抛光防腐防垢涂层及其制备方法，主要用于油管、套管或地面管道内壁或外壁的防腐防垢。

背景技术

随着油气田勘探开发的不断深入，油气开采面临的环境越来越恶劣，特别是高矿化度水、高含二氧化碳和硫化氢等工况的出现,使得油气田井筒和地面的腐蚀和结垢问题越来越突出，包括发生在油管、套管和地面管道的内外壁。部分管线或井筒，仅生产1个月就要检泵或清管一次，给生产带来较大影响和安全隐患。

腐蚀和结垢存在协同作用关系。首先，油井管或地面管道局部腐蚀后，粗糙度增加，垢很容易在该处沉积和堆积，导致结垢速率显著增加。其次，油井管或地面管道局部结垢后，很容易造成垢下腐蚀。由于该处垢下和周围的自腐蚀电位或氧含量存在一定差异，会形成氧的浓差电池，导致电化学腐蚀，使其腐蚀速率显著增加。因此，腐蚀和结垢是相互促进，相互影响的协同作用关系。

目前在用的油井管或地面管道的防腐涂层主要以有机涂层居多，但应用过程中发现，油管在下井过程中不可避免的要发生摩擦和碰撞，造成涂层破损，裸露出来的金属在井下服役过程中很容易出现“大阴极小阳极”的电化学腐蚀现象，反而会加速管柱的穿孔失效。目前常用涂层，不论是几层结构，最外侧基本都是钝化层或致密层，主要靠阻隔腐蚀介质进入，达到防腐的目的，没有自抛光的作用，垢层很容易在表面附着，且随着附着的增加，粗糙度增加，结垢更加容易，因此，很难实现自抛光防腐、防垢的双重目的。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自抛光防腐防垢涂层及其制备方法，使油井管或地面管线腐蚀速率和结垢速率显著下降，保护油管、套管或地面管道不被腐蚀，最终通过复合涂层的自抛光作用实现防腐、防垢的双重目的，具有自抛光防腐、防垢双重作用。

为实现上述目的，本发明的采用的技术方案是：

一种自抛光防腐防垢涂层，包括有惰性金属层、活泼金属层、封孔层；惰性金属层、活泼金属层、封孔层由内至外依次设在管道内壁或外壁。

所述的惰性金属层为复合涂层的底层，其材质采用自腐蚀电位≥-0.32V的合金。

所述的惰性金属层的材质采用镍基合金、不锈钢或钛合金中的一种。

所述的活泼金属层材质为自腐蚀电位≤-0.53V的合金。

所述的活泼金属层材质为铝合金或锌合金中的一种。

所述的封孔层为复合涂层的表层，复合涂层的材质为高分子或钝化液态合金。

所述的封孔层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

一种自抛光防腐防垢涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，油管、套管或地面管道表面经除油，喷砂除锈，清洗干燥；

步骤2，采用热喷涂方法，将惰性金属喷涂在管道内壁或外壁，作为惰性金属层；

步骤3，采用热喷涂方法，将活泼金属喷涂在惰性金属层外，作为中间层；

步骤4，采用刷涂方法，将材质为高分子或钝化液态合金刷涂在中间层外，作为复合涂层的表层，即封孔层。

所述的封孔层，刷涂数量M由孔隙度决定；刷涂数量M的具体计算方法如下：

第一，制备自抛光防腐防垢涂层试样，测量表面积S和涂层厚度H；

第二，用703胶将除涂层外的其余5个面封闭，干燥48h，称量试样质量Q1；

第三，将试样完全浸入清水中，10min后，取出试样，称重，得到质量Q2；

第四，刷涂数量M=K*(Q2-Q1)/S/H，K为经验系数。

所述的热喷涂工艺参数为：电弧电流160~260Ａ、电压26~36Ｖ、喷涂距离100~200mm；所述的热喷涂方法采用超音速喷涂或等离子喷涂方法；所述的表层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

本发明的有益效果是：

1）、自抛光防腐防垢涂层为电化学牺牲阳极防腐机理和高电位涂层物理隔离机理的综合应用，可以保护油套管或地面管道不被腐蚀，最终通过复合涂层的自抛光作用实现防腐、防垢的双重目的。

2）、自抛光防腐防垢涂层具有自抛光特点，能够实现逐层的剥蚀，成垢分子很难在管道外壁堆积。

自抛光防腐防垢涂层为多层复合结构设计，即：惰性金属层、活泼金属层、封孔层。采用超音速热喷涂方法依次制备于钢管的内外壁。惰性金属涂层结构致密，自腐蚀电位高或易钝化，能够阻止腐蚀介质渗入，起到隔离和耐蚀的作用；活泼金属层，自腐蚀电位较低，具有牺牲阳极作用，管柱表面损伤后，可以给损伤处提供大量的电子，避免了“大阴极小阳极”现象发生；封孔层，该层为复合涂层的表层，采用刷涂方法制备；该层材质为高分子或钝化液态合金，例如锌涂料、有机涂料、改性树脂等；刷涂数量决定封孔比例，直接影响穿过表层的液体数量，从而决定自抛光速率，该层可以有效封闭涂层表面大部分的固有孔隙，控制腐蚀介质的渗入通道，确保防腐效果。因此，自抛光防腐防垢涂层设计是将电化学牺牲阳极防腐机理和高电位惰性涂层及封孔层的物理隔离机理的综合应用，避免了单一机理失效后而导致的加速腐蚀问题。

自抛光防腐防垢涂层表面的大部分孔隙由封孔剂封闭，仅留下小部分的固有孔隙，均匀分布于涂层表面。在油气田高矿化度水等工况下，自抛光防腐防垢涂层受腐蚀/结垢的协同作用，表面会发生边结垢、边腐蚀、边脱落的“自抛光”行为。复相成垢分子不断在涂层表面堆积，同时腐蚀介质穿过表面孔隙与活泼金属涂层发生水解反应，生成粉状氧化物和氢气，表层活泼金属涂层从母体自由脱离，使附着于管壁上的垢层或腐蚀产物层随之脱落，实现涂层表层的“剥蚀”和均匀减薄的“自抛光”和“剥蚀”行为。发生水解反应后，生成粉状氧化物和氢气，粉状氧化物和脱落产物随井下流体或管道输送介质排出，新暴露出来的涂层继续与高矿化度水继续发生“剥蚀”反应。

另外，新生成的极少量氢气具有“空泡腐蚀效应”，气泡迅速产生和破灭过程反复进行，对一些在管体表面结合紧密的垢具有很大的冲击力，增加了“剥蚀”效果。

底层的惰性金属涂层不与高矿化度水反应，阻止腐蚀介质进入，保护油套管或地面管道不被腐蚀。在“自抛光”行为的作用下，涂层表面缓慢消耗，既不会被垢覆盖，也不会被腐蚀穿孔，从而实现了油气田苛刻工况下井筒的防腐、防垢双重目的。

热喷涂方法主要为超音速喷涂、等离子喷涂等孔隙度较小的热喷涂方法。喷涂速度快，在热源的作用下形成的金属液滴高速喷涂在油管、套管或地面管道的表面，迅速铺展，增加与管壁的结合面积及结合力，提高涂层的致密性和结合强度。热喷涂工艺参数主要由电弧电流、电压和喷涂距离决定。其中，电弧电流对喷涂过程的热输入量贡献最大，电弧电流越大，液滴雾化更快、更充分，液滴粒子也更加细小且动能越高，高速冲击到管壁表面后，扁平化程度更高，组织会更加致密。喷涂距离决定着液态雾化粒子的运动距离，距离过小，加速距离不够，粒子会铺展不充分；距离过大，加速距离过大，粒子速度达到最大值后会有所降低。电弧电压直接决定液态雾化粒子的加速快慢，由于热喷涂液滴的体积小，很小的电弧电压就可以完成加速；若电压过大，加速过快，液滴还未充分雾化就已脱离热源，会导致液滴体积大，速度下降快，扁平化程度降低。一般根据喷涂材料和喷涂方法决定，热喷涂工艺。一般工艺参数如下，电弧电流160-260Ａ、电压26-36Ｖ、喷涂距离100-200mm。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明局部复合涂层的剖面放大图。

图中：1-封孔层孔隙；2-封孔层；3-活泼金属层；4-惰性金属层；5-管子本体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

一种自抛光防腐防垢涂层，包括有惰性金属层、活泼金属层、封孔层；惰性金属层、活泼金属层、封孔层由内至外依次设在管道内壁或外壁。

所述的惰性金属层为复合涂层的底层，其材质采用自腐蚀电位≥-0.32V的合金。

所述的惰性金属层的材质采用镍基合金、不锈钢或钛合金中的一种。

所述的活泼金属层材质为自腐蚀电位≤-0.53V的合金。

所述的活泼金属层材质为铝合金或锌合金中的一种。

所述的封孔层为复合涂层的表层，复合涂层的材质为高分子或钝化液态合金。

所述的封孔层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

一种自抛光防腐防垢涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，油管、套管或地面管道表面经除油，喷砂除锈，清洗干燥；

步骤2，采用热喷涂方法，将惰性金属喷涂在管道内壁或外壁，作为惰性金属层；

步骤3，采用热喷涂方法，将活泼金属喷涂在惰性金属层外，作为中间层；

步骤4，采用刷涂方法，将材质为高分子或钝化液态合金刷涂在中间层外，作为复合涂层的表层，即封孔层，封孔层的刷涂应均匀，严格控制用量，保证封闭部分孔洞，并留下一些孔洞通道，且通道数量可控。

所述的封孔层，刷涂数量M由孔隙度决定，直接决定涂层的自抛光速率；刷涂数量M的具体计算方法如下：

第一，制备自抛光防腐防垢涂层试样，测量表面积S和涂层厚度H；

第二，用703胶将除涂层外的其余5个面封闭，干燥48h，称量试样质量Q1；

第三，将试样完全浸入清水中，10min后，取出试样，称重，得到质量Q2；

第四，刷涂数量M=K*(Q2-Q1)/S/H，K为经验系数。

所述的热喷涂工艺参数主要由电弧电流、电压和喷涂距离决定，根据喷涂材料和喷涂方法决定，热喷涂工艺，工艺参数如下，电弧电流160~260Ａ、电压26~36Ｖ、喷涂距离100~200mm；所述的热喷涂方法采用超音速喷涂或等离子喷涂方法；所述的表层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

所述的热喷涂方法为超音速喷涂、等离子喷涂等孔隙度较小的热喷涂方法。

所述的表层，刷涂数量决定封孔比例，直接影响穿过表层的液体数量，从而决定自抛光速率。

将该涂层依次制备于油管、套管或地面管道内外壁上，在油气田腐蚀结垢工况下，高矿化度水会通过封孔层逐步与活泼金属层接触，发生水解反应，生成粉状氧化物和氢气，使附着于管壁上的垢层或腐蚀产物层随之脱落，实现涂层表层的“剥蚀”，粉状氧化物、生成的极少量氢气和脱落产物随井下流体或管道输送介质排出，新暴露出来的涂层继续与高矿化度水继续发生“剥蚀”反应，由此实现逐层“剥蚀”或“剥离”的自抛光效果。

热喷涂工艺参数主要由电弧电流、电压和喷涂距离决定，根据喷涂材料和喷涂方法决定，热喷涂工艺；制备工艺参数如下：电弧电流160-260Ａ、电压26-36Ｖ、喷涂距离100-200mm。

实施例1

自抛光防腐防垢涂层为底层镍基合金不锈钢、中间层锌合金、表层有机封孔剂。采用等离子热喷涂方法依次制备于管柱外壁。镍基合金不锈钢层，结构致密，能够阻止腐蚀介质渗入，起到隔离和耐蚀的作用；锌合金层，电位较低，具有牺牲阳极作用，管柱表面损伤后，可以给损伤处提供大量的电子，避免了“大阴极小阳极”现象发生；有机封孔剂层，可以有效封闭涂层表面大部分的固有孔隙，控制腐蚀介质的渗入通道，确保防腐效果。

自抛光防腐防垢涂层设计是将电化学牺牲阳极防腐机理和高电位涂层物理隔离机理的综合应用，避免了单一机理失效后而导致的加速腐蚀问题。

实施例2

自抛光防腐防垢涂层文件为底层13Cr不锈钢、中间层Al合金、表层封孔剂。采用超音速热喷涂方法依次制备于管柱外壁。热喷涂工艺为电弧电流240Ａ、电弧电压32Ｖ、喷涂距离150mm，制备的复合涂层组织较致密，密度大，耐蚀性能最优，腐蚀速率仅为0.072mm/a。

自抛光防腐防垢涂层表面的大部分孔隙由封孔剂封闭，仅留下小部分的固有孔隙，均匀分布于涂层表面。在油气田腐蚀工况下，自抛光防腐防垢涂层受腐蚀/结垢的协同作用，表面会发生边结垢、边腐蚀、边脱落的“自抛光”行为。

Claims (10)

1.一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，包括有惰性金属层、活泼金属层、封孔层；惰性金属层、活泼金属层、封孔层由内至外依次设在管道内壁或外壁。

2.根据权利要求1 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的惰性金属层为复合涂层的底层，其材质采用自腐蚀电位≥-0.32V的合金。

3.根据权利要求1所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的惰性金属层的材质采用镍基合金、不锈钢或钛合金中的一种。

4.根据权利要求1 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的活泼金属层材质为自腐蚀电位≤-0.53V的合金。

5.根据权利要求1 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的活泼金属层材质为铝合金或锌合金中的一种。

6.根据权利要求1 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的封孔层为复合涂层的表层，复合涂层的材质为高分子或钝化液态合金。

7. 根据权利要求1 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的封孔层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

8.一种自抛光防腐防垢涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，油管、套管或地面管道表面经除油，喷砂除锈，清洗干燥；

步骤2，采用热喷涂方法，将惰性金属喷涂在管道内壁或外壁，作为惰性金属层；

步骤3，采用热喷涂方法，将活泼金属喷涂在惰性金属层外，作为中间层；

步骤4，采用刷涂方法，将材质为高分子或钝化液态合金刷涂在中间层外，作为复合涂层的表层，即封孔层。

9.根据权利要求8 所述的一种自抛光防腐防垢涂层，其特征在于，所述的封孔层，刷涂数量M由孔隙度决定；刷涂数量M的具体计算方法如下：

第一，制备自抛光防腐防垢涂层试样，测量表面积S和涂层厚度H；

第二，用703胶将除涂层外的其余5个面封闭，干燥48h，称量试样质量Q1；

第三，将试样完全浸入清水中，10min后，取出试样，称重，得到质量Q2；

第四，刷涂数量M=K*(Q2-Q1)/S/H，K为经验系数。

10.根据权利要求8所述的一种自抛光防腐防垢涂层的制备方法，其特征在于，所述的热喷涂工艺参数为：电弧电流160~260Ａ、电压26~36Ｖ、喷涂距离100~200mm；所述的热喷涂方法采用超音速喷涂或等离子喷涂方法；所述的表层采用锌涂料、有机涂料或改性树脂。

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