新型涂料可用于嚴(yán)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(fèi)者青睞。

由于許多近海石油和天然氣井／田越來越接近預(yù)期的開采壽 命，現(xiàn)在，正采用現(xiàn)代的新技術(shù)和新工藝在原有的油氣井／ 田開采到比預(yù)期更多的碳?xì)浠衔铩Ｒ坏┏跏純?chǔ)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(chǔ)量。向更深處鉆探通常意味著溫度和壓力更高，因此，對(duì)于深 海碳?xì)浠衔镢@探和加工的所有相關(guān)技術(shù)來說，要求則更高。更 高的溫度和壓力還會(huì)影響用于管道、容器、儲(chǔ)罐和加工設(shè)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(shù)

從目前趨勢來看，石油開采過程中承受的溫度和壓力只會(huì)日 益上升。目前，對(duì)于在這些領(lǐng)域使用的涂料或內(nèi)襯，通常要求能 抵抗150 oC及以上的碳?xì)浠衔餃囟群停蚋哂?000 psi的壓力。 對(duì)于某些儲(chǔ)罐或容器，需要考慮浸在高溫下產(chǎn)生的原油和水中， 對(duì)于海底使用的外用涂料，還應(yīng)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(hù)兼容，但對(duì)于涂料一般性 能而言，這并不是必要性能。

有趣的是，在NORSOK標(biāo)準(zhǔn)（第6版）的最新修訂版中，已對(duì) 海底涂料系統(tǒng)7進(jìn)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(duì)此類涂料技術(shù)規(guī)格的需求。

上述變化意味著需要對(duì)防護(hù)涂料的作用進(jìn)行嚴(yán)格審查，以應(yīng) 對(duì)更高的溫度和壓力。高溫和／或高壓對(duì)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(shù)來應(yīng)對(duì)這些苛刻 條件。在涂料行業(yè)中，對(duì)環(huán)氧涂料進(jìn)行試用、測試，對(duì)其性能十 分熟悉。通常，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。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(dāng)考慮高壓體系時(shí)，同樣適用。所有涂料都有一定的孔隙 率，因此高壓可能會(huì)把更多的空氣顆粒或流體壓進(jìn)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(dāng)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(chǔ)存靈活性

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

儲(chǔ)存靈活性歸根結(jié)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(diǎn)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(guān)鍵

另一個(gè)需要考慮的方面是儲(chǔ)罐和容器內(nèi)襯的施工都是在現(xiàn)場 進(jìn)行的。通常，需要盡快更換儲(chǔ)罐內(nèi)襯，以防止造成高成本的停工時(shí)間，并縮短項(xiàng)目周期，將成本降到最低。在翻新項(xiàng)目中尤其 如此。由于快速固化涂料使儲(chǔ)罐在涂裝24 h內(nèi)便可恢復(fù)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢查時(shí)，方可對(duì)其進(jìn)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(yàn)一樣簡單。

除固化速度外，有助于快速恢復(fù)內(nèi)襯使用的另一特性是單道 涂裝。一個(gè)良好的涂裝規(guī)范會(huì)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(dá)到可接受范圍。隨著近期內(nèi)襯技術(shù)的最新進(jìn)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(jìn)行單道涂裝。這有 助于縮短涂裝時(shí)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(jìn)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(zhì)檢方案和維護(hù)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(gè)重要性能是能按規(guī)定的厚度涂裝，無流掛或流注的風(fēng) 險(xiǎn)。這樣，為涂裝工提供了在過度涂裝時(shí)的大量余地，而不會(huì)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(jìn)行厚涂層涂 裝，同時(shí)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(dǎo)致裂 紋，特別是在嚴(yán)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(shí)性能也有所保證。

另一個(gè)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(chǔ)罐或容器規(guī)定為封閉空間。這時(shí)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(yù)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(yīng)對(duì)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(jié)合，形成一種新型涂料的平臺(tái)，能承受更高壓 力和溫度，并可儲(chǔ)存更多種類的貨物。該樹脂平臺(tái)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(yīng)），更好地隔離貨物中的水和化學(xué)物質(zhì)，防止其 滲透到涂膜中以外，還能提高韌性，調(diào)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(zhì)量的關(guān)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(shù)正轉(zhuǎn)化為實(shí)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(píng)，已應(yīng)用到從高 溫高壓水容器到高溫原油儲(chǔ)罐等多種應(yīng)用領(lǐng)域。預(yù)計(jì)在不久的將 來，該技術(shù)將應(yīng)用于嚴(yán)苛的海底領(lǐng)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(chǔ)罐、容器和管道防護(hù)。近來，該技術(shù)已經(jīng)引進(jìn)到歐洲、中東和非洲市場，客戶對(duì)單道涂層體系青睞有加。

主要性能的測試試驗(yàn)

作為研發(fā)的一部分，對(duì)新型耐高溫高壓內(nèi)襯涂料 進(jìn)行了測試，以確保能應(yīng)對(duì)內(nèi)襯所處的嚴(yán)苛條件。同 時(shí)，還進(jìn)行了多項(xiàng)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(xué)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(jìn)行附著力 試驗(yàn)、陰極剝離試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)，測試在鋼板上的固 化情況和重涂時(shí)間。除重涂試驗(yàn)（使用兩道涂層系統(tǒng) 進(jìn)行測試）以外，所有測試均采用單道涂層體系進(jìn)行 測試。

試驗(yàn)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(jìn)行為期6個(gè)月的浸泡測試。

實(shí)驗(yàn)

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(jié)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(jié)果，證實(shí)了上述結(jié)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(duì)試板進(jìn)行重 涂，然后采用一臺(tái)自校準(zhǔn)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(duì)室溫下固化的涂層進(jìn)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(jìn)行上述試驗(yàn)：在去離子水中加入1%（質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(duì)該體系進(jìn)行測試時(shí)，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(jìn)行6個(gè)月的熱水浴試驗(yàn)。在去離子水中完成浸泡測試 后，發(fā)現(xiàn)對(duì)耐高溫高壓內(nèi)襯涂料無影響。而模擬海水中的浸泡試 驗(yàn)結(jié)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(shí)間 分別為24 h和48 h。涂裝該涂料時(shí)，使干膜厚度達(dá)到500～1 000m 之間。結(jié)果表明：在硫酸（見圖4）和鹽酸中浸泡6個(gè)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(yán)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(yīng)用前景

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

其他有利結(jié)果包括：陰極剝離達(dá)到最小，平均剝離半徑為8.3 mm；在模擬海水浸泡試驗(yàn)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(gè)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(jié)果一覽

 對(duì)一種新型耐高溫高壓（HTHP）內(nèi)襯涂料進(jìn)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(shí)，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(huì)有任何影響。

 測試表明：固化后，內(nèi)襯可與強(qiáng)酸一同使用。