殷启帅1,2，万宏宇1，邓思瑶1,2，翟煜琦1,2，李牵雨1,2，张举宴1,2，朱益1
工作单位：
1、中国石油大学(北京)
2、油气生产安全与应急技术应急管理部重点实验室
摘要:为筛选适用于浅水水下采油树复杂结构且防护效果更优的防腐蚀涂层，系统对比评估了常规海洋漆涂层与新型聚四氟乙烯（XYLAN）涂层的物理及应用性能。结果表明：两类涂层均具有良好流平性，平均表面粗糙度分别为0.819 μm（海洋漆）和1.061 μm（XYLAN）；XYLAN涂层厚度较薄（42 μm），耐磨性略逊于海洋漆，但其抗拉强度和平均断后伸长率（14.07%）显著优于海洋漆（8.56%）；高温高压腐蚀试验后，海洋漆出现质量损失，而XYLAN涂层质量变化不显著，展现出优异的耐腐蚀性能。综合评价表明，XYLAN涂层的多个关键性能指标均优于海洋漆，更适用于浅水水下采油树阀门及连接组件等复杂结构部位。
关键词: 浅水水下采油树、心腐涂层 、XYLAN涂层、 海洋漆、涂层性能评价
Abstract:
To screen for anti-corrosion coatings suitable for complex structures of shallow water subsea Christmas trees with superior protective performance. The physical and application properties of conventional marine paint coatings and novel polytetrafluoroethylene (XYLAN) coatings were systematically compared and evaluated. The results show that both coatings exhibited good leveling properties, with average roughness values of 0.819 μm (marine paint) and 1.061 μm (XYLAN), respectively. The XYLAN coating was thinner (42 μm) and its wear resistance was slightly inferior to that of marine paint; however, its pull-off strength and average elongation rate (14.07%) were significantly superior to those of marine paint (8.56%). After high-temperature and high-pressure corrosion test, the marine paint exhibited mass loss, whereas the XYLAN coating showed negligible mass change, demonstrating excellent corrosion resistance. Comprehensive evaluation indicates that the XYLAN coating outperformed marine paint in multiple key performance indicators and is more suitable for complex structural components such as valves and connection assemblies of shallow water subsea Christmas trees.
Keywords: shallow-water subsea Christmas tree / anti-corrosion coating / XYLAN coating / marine print coating / coating performance evaluation
引言
随着陆上油气资源日趋枯竭，海洋油气开发成为全球能源战略重点。我国渤海海域部分开发区块因毗邻航道、军事区等敏感区域而受限，水下生产系统成为有效解决方案，其中浅水水下采油树作为核心设备，负责控制油气流动及注入。然而，采油树长期暴露于海水中，在海洋生物及内部流体的综合作用下，腐蚀问题严重威胁其安全运行。
防腐蚀涂层是海洋设备最成熟可靠的防护手段。传统海洋漆虽应用广泛，但在高压、高温、高盐度等极端环境中逐渐显现局限性。聚四氟乙烯作为一种新型涂层材料，凭借其优异的化学惰性、耐蚀性和耐磨性，在极端海洋环境中展现出显著优势。
笔者针对浅水水下采油树的防腐蚀需求，系统对比了海洋漆与聚四氟乙烯涂层的物理性能和应用效果，通过表面粗糙度、厚度、附着力、耐磨性、抗冲击性能及耐蚀性等测试，为水下采油树表面防护技术提供理论依据和数据支持。
1 试验
1. 1 试样
试验所用涂层材料包括常规海洋漆涂层和新型聚四氟乙烯涂层。其中，海洋漆涂层具有3层涂敷层，典型干膜厚度为 350~500μm。涂层体系中的每种涂层均符合 NORSOK M-501Rev. 7 System 7和 ISO 12944标准要求,适用于带有阴极保护的碳钢和不锈钢浸入式结构。聚四氟乙烯涂层采用Whitford公司生产的 XYLAN涂层，它是一种基于氟聚合物的多功能涂层材料，摩擦因数低、具有卓越的耐磨性以及抗化学腐蚀性能。
两种材料均经过严密的筛选，以确保试验结果的可靠性和可重复性。涂层试样照片如图1所示。
图1 涂层试样照片
1.2 试验方法
采用标准化试验设备和依据国际标准的测试流程对水下采油树的表面涂层进行了系统的物理性能与应用性能测试。具体检测方法如表1所示。
表1 涂层检测方法
2 结果与讨论
2.1 涂层物理性能
2.1.1 表面粗糙度
表面粗糙度是衡量涂层表面光滑程度的关键指标，是指表面在微观尺度上的微观不平度。表面粗糙度影响涂层的耐蚀性、耐磨性以及附着力。采用轮廓法，通过机械触针在涂层表面进行扫描，记录表面的高度变化，计算其表面粗糙度。
由图2可知，海洋漆的表面粗糙度为0.53~0.98μm，平均值为0.819μm，XYLAN涂层的表面粗糙度为0.94~1.31μm，平均值为1.061μm。两种涂层的流平性均非常好。XYLAN涂层的表面粗糙度略大，可以再进一步优化施工工艺或材料配方，在保持其力学性能的同时降低表面粗糙度，提升综合性能。
图2 涂层表面粗糙度测量结果
2.1.2 厚度
涂层厚度对其保护性能具有直接影响。由图3可知，这两种涂层的厚度表现出显著差异，海洋漆涂层的厚度为515~ 545μm，平均值为531.75μm，XYLAN涂层的厚度为35.5~49.5μm，平均值为42.17μm。对比可见，XYLAN 涂层的厚度明显小于海洋漆涂层，但其优势在于较薄的涂层依然能够提供良好的防腐蚀性能。在实际应用中，较薄的XYLAN涂层不仅能够减轻整体质量，还能够减少涂层在复杂环境中产生裂纹或降低剥落的风险。厚度较大的海洋漆涂层虽然能提供额外的物理屏障，但厚度过大可能导致涂层应力增加，进而降低其稳定性和耐久性。
图3 涂层厚度测量结果
2.1.3 附着力
金属基涂层的附着力测试主要是观察表面镀层与金属基体之间的黏接性。理想的涂层应该能够牢固附着在基材表面，即具有较高的结合强度。涂层附着力反映了涂层与基材之间的结合强度。拉开法附着力测试通过施加轴向拉力使涂层与基材分离，从而得到涂层的附着力；试验中，利用拉拔试验设备逐步增加垂直于涂层表面的力，记录涂层被完全拉离基材时所对应的拉开破坏力。抗拉强度的计算公式为：
由表2可见：海洋漆涂层的拉开破坏力为1696.41N，XYLAN涂层的拉开破坏力为3760.06N，即 XYLAN涂层的附着力显著优于海洋漆涂层，且XYLAN涂层的附着力更高。两种涂层均表现为内聚破坏，表明破坏主要发生在涂层内部，涂层附着力良好。XYLAN涂层因优越的附着力，适用于高负载和恶劣环境。而海洋漆涂层则可作为经济型选择，适合承受较小机械应力的场合。
表2 涂层附着力评价结果
2.1.4 漏点
漏点是指涂层中的一个或多个不连续点，是防腐蚀涂层的薄弱部位，特别是对于一些长寿命要求及苛刻腐蚀环境中的防护涂层体系，发现并消除涂层中的漏点尤其重要。利用电火花检漏仪在涂层上施加高电压，通过涂层的绝缘性判断是否存在漏点。漏点检测结果表明，海洋漆和XYLAN两种涂层在规定的测试条件下均未检测到漏点，表明这两种涂层在当前厚度和测试电压下具备良好的连续性和完整性，能够有效阻隔腐蚀介质的渗透。
2.1.5 抗冲击性能
采用抗冲击性能测试评估涂层在外部机械冲击作用下的耐受能力。试验通过自由落体原理，在设定的高度上释放一定质量的落锤，使其冲击涂层表面。测试时，根据涂层的厚度和材料特性设定适当的冲击吸收能，并评估其在冲击后是否产生裂纹、剥落等损伤。
冲击吸收能的计算公式为 :
冲击试验后试样表面画圈区域有小坑，但试样均无漏点，见图4。
图4 冲击试验后涂层试样宏观形貌（黑色画圈区域为检漏区域）
2.2 涂层应用性能
2.2.1 耐磨性
耐磨性可以评估涂层在摩擦和磨损环境中的耐久性能。采用落砂法，将标准砂从设定高度自由落至涂层表面，记录涂层厚度的减少速度。通过磨损量的测定，反映涂层的耐磨性能。
由表3可见：海洋漆涂层试验前的平均厚度为395μm，试验后为298μm，当落砂体积达到64 L时，涂层被磨穿，耐磨性约为0.7 L/μm。这表明海洋漆涂层的耐磨性较好，能够承受更大的摩擦力，在较长时间内维持防护效果。XYLAN涂层试验前的平均厚度为30μm，当落砂体积达到 12L时涂层完全被磨穿，试验后厚度为 0 μm，耐磨性为0.4 L/μm。XYLAN涂层的耐磨性能较海洋漆差，厚度较薄，且在较小的落砂量下即被磨穿，显示出较低的耐久性。综上，海洋漆涂层的耐磨性优于 XYLAN涂层。虽然XYLAN涂层具有其他优良特性，但在高摩擦或长期磨损环境中，其耐用性不足，容易受到破坏。相比之下，海洋漆涂层能在更大落砂量下保持较好的抗磨性能，适用于需要更高耐磨性要求的应用场景。
表3 涂层耐磨性评价结果
2.2.2 拉伸性
依据 GB/T 228. 1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准制备试样。由图5可知，海洋漆和 XYLAN 涂层的断后伸长率分别为8.56%和14.07%，表明XYLAN涂层具有更好的延展性和耐拉伸能力，其在变形过程中表现出更强的适应性，适用于需要抵抗较大拉伸变形的应用场景。
图5 拉伸试验结果
2.2.3 耐蚀性
高温高压腐蚀试验可以模拟海洋或地下恶劣环境中的高温高压条件，考察涂层在此环境中的耐蚀性。试验过程中，试样暴露于腐蚀介质中，并施加一定的高温和高压条件，观察其外观、质量变化及附着力的衰减情况。涂层高温高压腐蚀试验后需进行外观和附着力评价。为了便于与试验前的附着力进行对比，选用100 mm×50 mm试样。
经过高温高压腐蚀试验后，海洋漆涂层出现了明显的质量损失，而XYLAN涂层的质量基本保持不变。海洋漆涂层的平均腐蚀速率为 0.0493 g/m2·h。相比之下，XYLAN涂层表现出较好的耐蚀性，平均腐蚀速率仅为0.0009 g/m2·h。此外，海洋漆涂层表面鼓泡明显，而 XYLAN涂层表面外观平整均匀、光滑无气泡、橘皮、垂滴、针孔和流淌等缺陷，说明在苛刻的腐蚀环境中，XYLAN涂层能够提供更好的保护，延长涂层的使用寿命。
经过高温高压腐蚀试验后，海洋漆和 XYLAN涂层的附着强度均有所下降。其中，海洋漆涂层三个平行样的σ分别为6.0046，2.6074,4.0037MPa (试验前σ为5.4652MPa)，平均值降低且离散性增大，表明腐蚀试验后海洋漆涂层与金属基底的σ减小。而三个XYLAN涂层试样(平行试样)试验后的拉开强度分别为6.1745MPa、4.9998MPa和6.7767MPa(试验前σ为 12.0892MPa)，降幅约50%。
3 工程应用
浅水水下采油树的阀门、连接接头等关键构件结构复杂、服役载荷苛刻，且长期暴露于高盐海洋强腐蚀环境，采用高性能XYLAN涂层作为其防护体系。工程应用验证表明，该涂层在复杂异形构件表面具备优异的界面结合性能，力学性能可满足水下装备工况要求，对高盐、酸碱等腐蚀介质表现出优良的耐蚀稳定性；涂层采用薄层设计，可助力设备轻量化，减少材料消耗，同时缓解应力集中。将该涂层应用于水下采油树关键承压构件，可显著提升核心部件服役寿命，延长设备检修维护间隔周期，降低装备全生命周期运维成本。
4 结论
(1) 表面粗糙度测试结果显示，海洋漆的平均表面粗糙度为0.819μm，XYLAN涂层为1.061μm，即海洋漆具有更好的表面流平性。
(2) XYLAN涂层较薄(42μm)，但其抗拉强度和延展性优于海洋漆。拉伸测试表明，XYLAN涂层的断后伸长率(14.07%) 显著高于海洋漆(8.56%)，显示出更好的弹性和抗裂性能。
(3) 高温高压腐蚀试验后，海洋漆涂层表面出现鼓泡，质量损失0.098g，σ降低，结构稳定性受损；而XYLAN涂层表面保持光滑平整，无明显缺陷，质量基本不变，耐腐蚀性能优异。
(4) XYLAN涂层在力学性能和耐蚀性方面表现突出，尤其适用于高温高压等严苛工况。目前，该涂层已成功应用于浅水水下采油树的阀门、连接组件等复杂结构部位。
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来源：《腐蚀与防护》2026年7期
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