新型涂料可用于嚴苛環(huán)境下的石油天然氣行業(yè)

Lee Spoor, Sherwin-Williams Protective & Marine Coatings

石油和天然氣公司需要在比過去更高的溫度和壓力下鉆探更深的區(qū)域，因此需要適合此類環(huán)境條件的新型涂料。有一種新型 線性酚醛樹脂可用來配制單涂層快速固化的涂料。制備的涂料具 有高耐酸性、韌性等，可廣泛用于各種貨物，作為單涂層解決方 案，備受消費者青睞。

由于許多近海石油和天然氣井／田越來越接近預期的開采壽 命，現(xiàn)在，正采用現(xiàn)代的新技術和新工藝在原有的油氣井／ 田開采到比預期更多的碳氫化合物。一旦初始儲量被采盡，石油 和天然氣公司通常需要在更深的海底鉆探，以發(fā)現(xiàn)新的或更多的 儲量。向更深處鉆探通常意味著溫度和壓力更高，因此，對于深 海碳氫化合物鉆探和加工的所有相關技術來說，要求則更高。更 高的溫度和壓力還會影響用于管道、容器、儲罐和加工設備內(nèi)襯 材料的防腐性能。

生產(chǎn)耐高溫高壓（HTHP）涂料需要多種替代技術

從目前趨勢來看，石油開采過程中承受的溫度和壓力只會日 益上升。目前，對于在這些領域使用的涂料或內(nèi)襯，通常要求能 抵抗150 oC及以上的碳氫化合物溫度和／或高于2000 psi的壓力。 對于某些儲罐或容器，需要考慮浸在高溫下產(chǎn)生的原油和水中， 對于海底使用的外用涂料，還應考慮海水的問題。還可能需要考 慮以下情況：涂料可能需要與陰極保護兼容，但對于涂料一般性 能而言，這并不是必要性能。

有趣的是，在NORSOK標準（第6版）的最新修訂版中，已對 海底涂料系統(tǒng)7進行變更，加入不同使用環(huán)境，其中之一就是浸泡 狀態(tài)下的高溫體系。現(xiàn)已經(jīng)創(chuàng)建體系7 C，使其包括>50 °C下碳鋼 的浸泡，突出行業(yè)對此類涂料技術規(guī)格的需求。

上述變化意味著需要對防護涂料的作用進行嚴格審查，以應 對更高的溫度和壓力。高溫和／或高壓對內(nèi)襯和涂料的性能帶來 了巨大的挑戰(zhàn)，迫使涂料制造商研發(fā)更新的技術來應對這些苛刻 條件。在涂料行業(yè)中，對環(huán)氧涂料進行試用、測試，對其性能十 分熟悉。通常，大多數(shù)標準環(huán)氧樹脂無法抵抗60～80 °C以上條 件的浸泡，因此需要考慮替代技術。過去已在此類情況下使用過 酚醛／線型酚醛環(huán)氧樹脂樹脂，不過其最高浸泡溫度只能到99 °C 左右。當考慮高壓體系時，同樣適用。所有涂料都有一定的孔隙 率，因此高壓可能會把更多的空氣顆?；蛄黧w壓進涂膜，可能造 成涂膜過早破損。制備高度交聯(lián)的涂膜以及恰當選擇顏料將有助于形成更好的不滲透涂層，使涂層在高壓下不容易破壞。

高防腐性油罐內(nèi)襯提高了儲存靈活性

下游資產(chǎn)業(yè)主，包括儲罐終端，都表示需要儲罐具有一定的 靈活性，儲罐之間的物料能實現(xiàn)交換和變更的能力越來越受到關 注，它能有效延長儲罐內(nèi)襯系統(tǒng)的使用。通過投資使內(nèi)襯材料對 各類物料的防腐性能增強，溫度耐受范圍增加，儲罐區(qū)的業(yè)主能 滿足客戶需求，無需更換儲罐內(nèi)襯就能存儲各種貨物，快速做出 反應。

儲存靈活性歸根結底是指能處理某些更具腐蝕性的貨物，因 此需要選擇一種具有極高耐性的涂層體系，以滿足業(yè)主的需求。 另一優(yōu)點在于單涂層體系簡化程序，這也為涂料制造商提供了信 息。

單道涂裝和固化速度是提高效率的關鍵

另一個需要考慮的方面是儲罐和容器內(nèi)襯的施工都是在現(xiàn)場 進行的。通常，需要盡快更換儲罐內(nèi)襯，以防止造成高成本的停工時間，并縮短項目周期，將成本降到最低。在翻新項目中尤其 如此。由于快速固化涂料使儲罐在涂裝24 h內(nèi)便可恢復使用，因 此越來越受歡迎。在涂膜徹底固化、硬度足以使檢查員能在涂膜 上行走或進行標準檢查時，方可對其進行檢測。這就像讀取干膜 厚度（DFT）或檢測可能損壞的附著力或漏涂檢測試驗一樣簡單。

除固化速度外，有助于快速恢復內(nèi)襯使用的另一特性是單道 涂裝。一個良好的涂裝規(guī)范會建議：通過兩道涂層涂裝工藝，可 將干膜厚度較低的區(qū)域縮小到最小－理論上，如果第一道涂裝后 出現(xiàn)某些區(qū)域涂裝膜厚不夠，第二道涂層可覆蓋這些區(qū)域，使總 膜厚達到可接受范圍。隨著近期內(nèi)襯技術的最新進步，已研發(fā)出 具有靈活干膜厚度范圍的優(yōu)異內(nèi)襯系統(tǒng)，可進行單道涂裝。這有 助于縮短涂裝時間，避免過度涂裝，例如在兩道涂層間的清潔程 序，以及過早或過晚的進行第二道涂裝。同樣，若使用配方中未 添加其他溶劑的內(nèi)襯涂料，也有助于降低針孔或漏涂，防止溶劑 滯留。通常，一套良好的質檢方案和維護體系有助于確保涂膜無 缺陷。

超高固體分產(chǎn)品提供了安全性和耐久性

一個重要性能是能按規(guī)定的厚度涂裝，無流掛或流注的風 險。這樣，為涂裝工提供了在過度涂裝時的大量余地，而不會因 涂膜厚而產(chǎn)生缺陷。在規(guī)定的環(huán)境和條件下，可以進行厚涂層涂 裝，同時不影響涂料性能。涂層更厚并不一定等同于性能更好， 耐久性更長，有的涂料甚至越是涂層厚涂層更脆，可能導致裂 紋，特別是在嚴苛條件下。一種 "靈活干膜厚度"的單涂層內(nèi)襯 涂料體系，通過提供合適的膜厚范圍和附著力，可以解決這一問題，即使在干膜厚度較高時性能也有所保證。

另一個需要考慮的問題是安全性，特別是健康和安全法規(guī) 中，將儲罐或容器規(guī)定為封閉空間。這時由于使用溶劑型涂料需 要采取額外防范措施和方法，因此使用不太多，而無溶劑或超高 固體分涂料日漸成為常態(tài)。與傳統(tǒng)溶劑型產(chǎn)品相比，少數(shù)超高固 體分涂料本身具有較高的自然黏度，產(chǎn)品邊緣覆蓋率更高，附加 值高。邊緣處的涂膜越厚，這些部位涂層的預期耐久性就越好， 涂料使用壽命就越長。

新型內(nèi)襯涂料彰顯早期成功

為應對上述不斷變化的需求，將玻璃和陶瓷顆粒與新型線型 酚醛樹脂體系相結合，形成一種新型涂料的平臺，能承受更高壓 力和溫度，并可儲存更多種類的貨物。該樹脂平臺可以使快速固 化的單道涂層能更快地投入使用。陶瓷和玻璃顆粒除了能形成阻 隔層（迷宮效應），更好地隔離貨物中的水和化學物質，防止其 滲透到涂膜中以外，還能提高韌性，調節(jié)鋼基材的熱膨脹系數(shù)失 衡。這種新型酚醛樹脂體系是提供附著力和成膜質量的關鍵，固 化快，方便用戶，可用作單道涂層涂料配方。

目前，這種新技術正轉化為實際產(chǎn)品。自2013年面市以來， 第一批"新一代"耐高溫高壓內(nèi)襯涂料廣受好評，已應用到從高 溫高壓水容器到高溫原油儲罐等多種應用領域。預計在不久的將 來，該技術將應用于嚴苛的海底領域。

自上市以來，這種耐高溫高壓內(nèi)襯涂料已在北美市場取得了 很大發(fā)展，在石油&天然氣和采礦等行業(yè)內(nèi)，廣受客戶青睞，用 于儲罐、容器和管道防護。近來，該技術已經(jīng)引進到歐洲、中東和非洲市場，客戶對單道涂層體系青睞有加。

主要性能的測試試驗

作為研發(fā)的一部分，對新型耐高溫高壓內(nèi)襯涂料 進行了測試，以確保能應對內(nèi)襯所處的嚴苛條件。同 時，還進行了多項測試，以確定在浸泡去離子水（DI 水）和模擬海水的典型環(huán)境下涂料的固化性能、最多 重涂次數(shù)、陰極剝離性和耐化學性。

多次將耐高溫高壓內(nèi)襯涂料涂裝在熱軋鋼板上。 在涂裝后，試板在模擬海水和去離子水中進行附著力 試驗、陰極剝離試驗和浸泡試驗，測試在鋼板上的固 化情況和重涂時間。除重涂試驗（使用兩道涂層系統(tǒng) 進行測試）以外，所有測試均采用單道涂層體系進行 測試。

試驗樣板在固化24 h和48 h后，分別在80%和87%硫酸中測 試，接著在37%鹽酸中進行為期6個月的浸泡測試。

實驗

24 h內(nèi)固化

檢查該體系在室溫下的固化性能（表1）。得出結論如下：耐 高溫高壓內(nèi)襯涂料在約24 h后完全固化，并在48 h后通過測試干膜 厚度和硬度無太多變化的結果，證實了上述結論。

良好的層間附著力

在第1 d、第3 d、第7 d、第14 d和第21 d，分別對試板進行重 涂，然后采用一臺自校準附著力測試儀來測試附著力。在21 d內(nèi)， 內(nèi)襯涂料的層間附著力良好（表2）。

陰極剝離

在完成涂裝的14 d后，對室溫下固化的涂層進行測試。根據(jù) ASTM G8方法，使用尺寸為6"x 12" x 1/8"的鋼板，在以下電解 液中進行上述試驗：在去離子水中加入1%（質量分數(shù)）的氯化 鈉、碳酸鈉和硫酸鈉。將每一塊試板固定到鎂陽極上，在30 d的 測試期間，與銀/氯化銀參考電極相比，所有試板的平均電壓降 為-1.38 V。在30 d測試后，在試板的漏涂周圍進行徑向劃刻，并用 刀挑穿涂層。耐高溫高壓內(nèi)襯涂料呈現(xiàn)的平均剝離半徑為8.3 mm （表3，圖1）。

浸泡未產(chǎn)生不良影響

對該體系進行測試時，采用2 L的玻璃罐，將兩塊試板的2／3 浸泡到去離子水中，將另兩塊試板的2／3浸泡到模擬海水中，并 在99 °C下進行6個月的熱水浴試驗。在去離子水中完成浸泡測試 后，發(fā)現(xiàn)對耐高溫高壓內(nèi)襯涂料無影響。而模擬海水中的浸泡試 驗結果顯示唯一的直接影響是顏色和光澤稍有變化。（表4，圖2 和圖3）

耐酸性

本次測試中，鋼板的兩面都涂裝了單道耐高溫高壓內(nèi)襯涂料： 次日，在試板的其中一面涂上第二道涂層，使兩道涂層的固化時間 分別為24 h和48 h。涂裝該涂料時，使干膜厚度達到500～1 000m 之間。結果表明：在硫酸（見圖4）和鹽酸中浸泡6個月后，該涂料 經(jīng)24 h和48 h的固化后都呈現(xiàn)良好的性能，無起泡或腐蝕現(xiàn)象，僅 觀察到嚴重褪色。

新型內(nèi)襯涂料在挑戰(zhàn)性環(huán)境中具有巨大的應用前景

在室溫固化時，耐高溫高壓內(nèi)襯涂料可在24 h內(nèi)交付使用（針對特定的高溫高壓情況）。當以這種方式固化時，該涂料在 21 d后重涂時表現(xiàn)出很強的層間附著力。

其他有利結果包括：陰極剝離達到最小，平均剝離半徑為8.3 mm；在模擬海水浸泡試驗中，除了顏色和光澤以外，未發(fā)現(xiàn)任 何明顯變化。在去離子水中浸泡6個月后，無任何影響。 固化24 h后，耐高溫高壓內(nèi)襯涂料可用在濃酸（即87%硫酸和 37%鹽酸）環(huán)境中。

結果一覽

 對一種新型耐高溫高壓（HTHP）內(nèi)襯涂料進行了測試，以 確保其能夠承受石油和天然氣行業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)性環(huán)境。

 在室溫固化時，HTHP內(nèi)襯涂料可在24 h內(nèi)交付使用，具有 優(yōu)異的層間附著力。

 浸泡到模擬海水中后，發(fā)生變化的僅為涂層顏色和光澤， 而浸泡到去離子水中，則不會有任何影響。

 測試表明：固化后，內(nèi)襯可與強酸一同使用。