對地下幾千米深的原油或天然氣的開采,地質情況和腐蝕介質的成分非常復雜,由于高溫(80～150℃)及高壓(>3MPa)熱蒸氣的強力滲透作用,加之原油及污水中的各類腐蝕介質(如SO2-4、NO-3、Cl-、CN-、Ba+、Ca+等)和有害細菌的侵蝕,加速了油氣井下管柱、管道和地上輸油、輸氣管線、容器貯罐的化學腐蝕和沉積結垢,不但縮短了開采設備的使用壽命,造成油氣田開采成本增高,并且嚴重影響企業的正常生產。如何有效解決地下原油開采所造成的鋼制管道的腐蝕,成為當今世界緩解原油危機、加速能源工業發展的難題。

    為攻克這一難題,各國都在努力研究各種解決辦法。例如,含鈦聚合物涂料、金屬熱噴涂熱浸鍍、合金滲鍍表面處理、合金化納米復合涂層等技術的應用,對油氣田開采用管道設施和生產貯運設備的保護,均起到了積極有效的作用,延長了設備的使用壽命,降低了生產維修成本,提高了企業的經濟效益,有力地促進了石油工業的蓬勃發展。

    本研究采用納米復合改性高聚物技術制備納米瓷膜特種涂料,在油田采油管道防腐蝕試驗中獲得成功的應用,有效防止了高溫高壓水蒸汽的強滲透腐蝕,涂層在惡劣環境條件下耐各種化學介質的腐蝕、高壓氣體和泥砂石流的沖刷磨蝕,防止各種雜質粒子的沉積結垢現象,起到了提高原油、天然氣采輸管道的使用壽命和效率,達到了

    1實驗部分

    1.1原料

    基體樹脂[1]:納米雜化聚芳醚酮預聚樹脂:自制;功能樹脂:JN9803樹脂,常州嘉諾有機硅材料公司;A325交聯樹脂、A303交聯樹脂:首諾公司;功能顏料:Y908復合防銹顏料等,國產;顏料:色素炭黑,市售;涂料助劑:市售;HG9561(底面合一型)油田管道用納米改性高聚物瓷膜涂料:自制;X-2000靜電專用稀釋劑:自制。

    1.2儀器設備

    標準試棒、試板;氣壓噴槍;高壓無氣噴涂機;隧道式烘房;恒溫烤箱;麥考特漆膜測厚儀;劃格器;不干膠帶;中華牌鉛筆(硬度H～6H);沖擊儀;漆膜磨耗儀;鹽霧試驗箱;自配模擬腐蝕介質(化學試劑);自制密閉式耐高壓不銹鋼蒸煮缸。

    1.3試驗條件

    1.3.1試棒制備與測試

    將涂料用專用稀釋劑調整黏度至50～60s(涂-4杯),將試棒浸涂一道,吊掛在恒溫烤箱中,升溫至180～200℃烤干;再浸涂一道烤干后直接升溫至250℃固化30min。測試涂層厚度應≥100μm,放入加有自來水的耐高壓不銹鋼蒸煮缸內(加水量為缸容積的三分之一),旋緊缸蓋密封后放入恒溫箱,150℃保溫24h,減壓開蓋檢驗。

    1.3.2試板制備

    噴板檢測,兩道噴涂后要求干膜厚度達到≥100μm,按國家標準檢驗理化項目。

    1.4涂料配制工藝

    1.4.1配方設計

    配方設計如表1所示,表中所用原料均為質量份。

表1納米改性瓷膜涂料配方設計

    1.4.2制備工藝

    先稱取配方量三分之二的溶劑,然后加入一半配方量的樹脂,加入分散劑、防沉劑等助劑,混合均勻后,加入顏填料,上分散機高速分散20～30min,移至三輥機或砂磨機研磨至要求細度,用配方中剩余的樹脂和溶劑調整至要求黏度,待檢測用。

    2結果與討論

    2.1基體樹脂的選擇

    基體樹脂關系到涂料成膜后涂層性能的優劣,是項目成敗的主要因素。本研究之所以選擇原本應用于航天航空工業領域的高強度、高性能、耐高溫、耐腐蝕的聚合物新材料,目的是為了將這些新技術及成果迅速轉化為生產力,從高尖端的科技領域推廣到石油、化工、冶金、能源、制造,乃至民用等工業領域的實際應用中,以便解決結構性腐蝕的老大難問題。本研究采用自制的納米氧化鋁改性聚芳醚酮雜化聚合物作為基體樹脂,通過配方設計實驗,開發出石油氣田采輸管道防腐蝕專用納米改性瓷膜特種涂料,并且與目前應用于油氣田采輸管道的幾種優秀防腐蝕涂料進行了性能試驗比較,從而證明了本研究成果的可行性。

    2.2涂料性能檢驗

    石油氣田采輸管道防腐蝕專用納米改性瓷膜特種涂料的檢驗結果見表2。

表 2   納米改性瓷膜涂料的綜合性能

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    表2納米改性瓷膜涂料的綜合性能

    *:為底面漆復合涂層配套后的檢測結果;底面合一漆同面漆檢驗。

    2.3涂層性能對比試驗

    為了檢驗本涂料涂層性能,我們取油田目前所使用的管道防腐涂料和適用于管道防腐的幾種涂料作測試比較,試驗結果見表3。

表3幾種適用于油田管道防腐蝕涂料的性能比較

    注:以上涂料性能均為復合涂層測試,使用同一底漆(即環氧改性有機硅富鋅底漆)。①②為自制產品;③為參照配方[2]仿制產品;④為某公司

    產品。●—優異;◎—良好;○—一般。

    從試驗結果分析,自然干燥的有機鈦涂料、聚脲彈性體涂料在熱氧老化性試驗中,拉伸強度、撕裂強度不降而升,而斷裂伸長率下降的原因,可能是在高溫環境下促進了涂層的熟化過程,使固化程度更加完全,導致剛性增強、彈性減低的緣故。只有納米改性瓷膜涂料能通過了150℃,30MPa的耐高溫高壓熱蒸氣穿透性模擬試驗。

    2.4涂裝方法與施工性

    2.4.1涂裝方法

    高壓無氣噴涂:多道涂裝2～3道,采用“濕碰濕”原廠漆黏度(涂-4杯,80～100s)噴涂,涂裝間隔10～15min,25～30℃環境下閃干,濕膜厚度不小于200～250μm,一次烘干成膜,干膜厚可達到150～200μm。本法適合于隧道梯式溫度烘房流水線作業。

    吊掛浸涂法:暫無流水生產線的企業可采用浸漆槽吊掛式浸涂和“面包爐”(間歇式烤漆房)方法施工。浸涂施工黏度可控制在60～80s,一道濕膜厚度可達200μm以上,常溫閃干30min后,即可入爐烘干。浸涂的優點是一次性作業,內外一起涂裝,省時省力,缺點是對稀釋劑有嚴格要求,若調整不好,烘干過程容易起泡,出現針孔等漆病。

    2.4.2成膜條件

    本產品為熱塑-熱固混合型涂料,經試驗表明,固化溫度低于200℃時雖然可以干燥,但難于形成互穿網絡結構的涂膜。最佳固化溫度為220～250℃。固化溫度與烘干時間呈反比關系。

    2.4.3層間影響

    納米改性瓷膜漆由于具有低表面能不粘附特性,故每道固化后的漆膜層間結合不是很好。為了提高漆膜的層間附著力,通過試驗,選擇“濕碰濕”的涂裝方法,可以使濕膜層間融合為一體,固化后的涂層不存在層間剝離現象。這是解決層間剝離的最有效途徑。

    2.4.4稀釋劑

    “濕碰濕”涂裝惟一值得注意的是選擇適當的稀釋劑,否則,在烘干過程容易發生起泡、針孔等現象。反復試驗后,確定使用溶解力比較強的高沸點溶劑,如環己酮、異氟爾酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺等,完全可以消除。

    3經濟分析

    用納米氧化鋁改性聚芳醚酮雜化聚合物配制的瓷膜涂料,其優越的性價比展示了它的市場前景。

    性價比指數表示如下:

    性價比指數越低,經濟受益越好,產品就有生命力。通過考核計算,納米改性瓷膜漆M=0.37;有機鈦涂料M=0.44;聚脲彈性體涂料M=0.58;納米改性環氧防腐漆M=0.60。從中可以預測出納米改性瓷膜涂料應用市場的樂觀前景。

    4結語

    引入納米復合技術,開發適用于石油氣田采輸管道防腐蝕專用納米改性瓷膜特種涂料,滿足地下深層石油管道的防腐蝕要求,經濟分析表明,納米改性瓷膜涂料應用市場較好。