[发明专利]用于油田、气田、勘探、炼油和石化应用的结构部件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请按照35USC 119要求申请日为2009年4月16日的美国临时专利申请No.61/170,080的权益。本申请要求前述的优先权和权益，通过引用将其公开内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及先进材料例如复合物、陶瓷金属衬里、非晶态金属、耐腐蚀材料、耐热涂层等在油气勘探、炼油和石化应用中的用途。

背景技术

已知石油产品即气体和液体烃产品含有或随同它们伴有腐蚀性物质例如二氧化碳、硫化氢和氯化物等。水性流体例如用于钻井和完井的那些可产生(contribute)盐类、胺类、酸类或其它污染物，从而致使所述流体呈腐蚀性。具有高有机酸含量的原油(crude)例如含环烷酸的那些对用于采出、输送和加工该油的设备呈腐蚀性。气体例如氯化氢、二氧化碳和硫化氢在金属表面对其变得暴露的水性条件存在下产生高度酸性环境。此外，天然气和合成气通过吸收酸性气体如二氧化碳和硫化氢的处理进行调整。吸收剂和酸性组分的降解以及副产物的产生导致金属表面的侵蚀。

除侵蚀问题外，在石油产品的处理中还存在泄漏风险以及附带的防火和耐火问题。配管系统任意部分中的密封度的损失可以导致高温、高热通量、高速度的火焰(经常称作“喷射火”)。当存在喷射火时，取决于火的性质，可以随高温一起产生极高的热通量密度。对于涉及固体燃料燃烧的火(在大多数烃加工操作中不大可能)，火的温度不断升高并且可在60分钟后达到900℃，在120分钟后达到约1050℃，和在240分钟后高达1150℃。热通量密度可达到高至100kW/m²。与烃类池火相比，温度上升会更快并且可在20分钟后达到1150℃的温度且具有225kW/m²的热通量密度。对于当天然气和不同凝析物在高压下燃烧时的喷射火，温度可在几秒内升至1300-1400℃，热通量密度上升达到500kW/m²。

在油气工业中使用各种控制腐蚀的方法，所述方法包括设备的定期监控和有计划更换，腐蚀抑制剂，以及设备材料升级。操作者选择适当的方法或方法组合，这取决于腐蚀的性质、复杂性和可预见性，设备失效的可能性和后果，以及监控和抑制侵蚀的能力。每种方法具有风险和缺陷。通常不可能以高度确定性监控和规划设备的经济性更换方案。抑制剂的使用可具有不期望的副作用，例如使腐蚀移动至工艺的其它部分或这可能引起一些环境顾虑。当不确知侵蚀原因、或腐蚀原因众多、或腐蚀随工艺改变而变化时，耐受性材料的选择是困难的并且几乎总是非常昂贵的。

昂贵的钢和合金，例如不锈钢、镍基高合金等材料，已用于油气工业中。已知热循环或热剧增(thermal excursion)在高温油气应用中影响包含金属的结构部件。耐腐蚀含氟聚合物塑料例如Teflon^TM可用作金属配管系统中的内衬。然而，加内衬的金属管道系统会由于内衬和金属管道的物理性能(例如由热循环引起的粘弹性能)的差异而失效。在宽的温度范围内Teflon^TM含氟聚合物塑料具有是碳钢10倍的热膨胀系数，但是在70°F下其为75倍。与具有190,000MPa-210,000MPa的弹性模量的碳钢相比，Teflon^TM含氟聚合物塑料具有58-80MPa的弹性模量。

因为复合非金属材料提供改善的耐腐蚀性和降低的维护要求，所以使用它们作为昂贵的钢和合金的替代品。然而，当通过来自附近火焰的热传递将包含非金属复合材料的结构部件加热到它们的引燃温度或支承体燃烧温度时，所述材料发生引燃和/或支承体发生燃烧，失去结构完整性，并且在燃烧时放出大量的烟。此外，非金属材料必须不仅耐受油气应用中遇到的温度和压力，而且它们还几乎必须经受住溶剂、脆化和工艺料流中所含烃和污染物的其它潜在劣化性能。

仍存在对用于处理石油产品的具有耐腐蚀性和耐火性能的改进结构部件的需要。本发明涉及用于油气应用的具有复合物、耐腐蚀材料和热保护涂层的组合性能的结构部件，例如配管系统。

发明概述