對(duì)地下幾千米深的原油或天然氣的開采,地質(zhì)情況和腐蝕介質(zhì)的成分非常復(fù)雜,由于高溫(80～150℃)及高壓(>3MPa)熱蒸氣的強(qiáng)力滲透作用,加之原油及污水中的各類腐蝕介質(zhì)(如SO2-4、NO-3、Cl-、CN-、Ba+、Ca+等)和有害細(xì)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(xué)腐蝕和沉積結(jié)垢,不但縮短了開采設(shè)備的使用壽命,造成油氣田開采成本增高,并且嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。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(dāng)今世界緩解原油危機(jī)、加速能源工業(yè)發(fā)展的難題。

    為攻克這一難題,各國(guó)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(fù)合涂層等技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)油氣田開采用管道設(shè)施和生產(chǎn)貯運(yùn)設(shè)備的保護(hù),均起到了積極有效的作用,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,降低了生產(chǎn)維修成本,提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,有力地促進(jìn)了石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

    本研究采用納米復(fù)合改性高聚物技術(shù)制備納米瓷膜特種涂料,在油田采油管道防腐蝕試驗(yàn)中獲得成功的應(yīng)用,有效防止了高溫高壓水蒸汽的強(qiáng)滲透腐蝕,涂層在惡劣環(huán)境條件下耐各種化學(xué)介質(zhì)的腐蝕、高壓氣體和泥砂石流的沖刷磨蝕,防止各種雜質(zhì)粒子的沉積結(jié)垢現(xiàn)象,起到了提高原油、天然氣采輸管道的使用壽命和效率,達(dá)到了

    1實(shí)驗(yàn)部分

    1.1原料

    基體樹脂[1]:納米雜化聚芳醚酮預(yù)聚樹脂:自制;功能樹脂:JN9803樹脂,常州嘉諾有機(jī)硅材料公司;A325交聯(lián)樹脂、A303交聯(lián)樹脂:首諾公司;功能顏料:Y908復(fù)合防銹顏料等,國(guó)產(chǎn);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(shè)備

    標(biāo)準(zhǔn)試棒、試板;氣壓噴槍;高壓無(wú)氣噴涂機(jī);隧道式烘房;恒溫烤箱;麥考特漆膜測(cè)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(yàn)箱;自配模擬腐蝕介質(zhì)(化學(xué)試劑);自制密閉式耐高壓不銹鋼蒸煮缸。

    1.3試驗(yàn)條件

    1.3.1試棒制備與測(cè)試

    將涂料用專用稀釋劑調(diào)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(cè)試涂層厚度應(yīng)≥100μm,放入加有自來(lái)水的耐高壓不銹鋼蒸煮缸內(nèi)(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(yàn)。

    1.3.2試板制備

    噴板檢測(cè),兩道噴涂后要求干膜厚度達(dá)到≥100μm,按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)理化項(xiàng)目。

    1.4涂料配制工藝

    1.4.1配方設(shè)計(jì)

    配方設(shè)計(jì)如表1所示,表中所用原料均為質(zhì)量份。

表1納米改性瓷膜涂料配方設(shè)計(jì)

    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(jī)高速分散20～30min,移至三輥機(jī)或砂磨機(jī)研磨至要求細(xì)度,用配方中剩余的樹脂和溶劑調(diào)整至要求黏度,待檢測(cè)用。

    2結(jié)果與討論

    2.1基體樹脂的選擇

    基體樹脂關(guān)系到涂料成膜后涂層性能的優(yōu)劣,是項(xiàng)目成敗的主要因素。本研究之所以選擇原本應(yīng)用于航天航空工業(yè)領(lǐng)域的高強(qiáng)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(shù)及成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,從高尖端的科技領(lǐng)域推廣到石油、化工、冶金、能源、制造,乃至民用等工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中,以便解決結(jié)構(gòu)性腐蝕的老大難問(wèn)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(guò)配方設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),開發(fā)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(yīng)用于油氣田采輸管道的幾種優(yōu)秀防腐蝕涂料進(jìn)行了性能試驗(yàn)比較,從而證明了本研究成果的可行性。

    2.2涂料性能檢驗(yàn)

    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(yàn)結(jié)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(fù)合涂層配套后的檢測(cè)結(jié)果;底面合一漆同面漆檢驗(yàn)。

    2.3涂層性能對(duì)比試驗(yàn)

    為了檢驗(yàn)本涂料涂層性能,我們?nèi)∮吞锬壳八�使用的管道防腐涂料和適用于管道防腐的幾種涂料作測(cè)試比較,試驗(yàn)結(jié)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(fù)合涂層測(cè)試,使用同一底漆(即環(huán)氧改性有機(jī)硅富鋅底漆)。①②為自制產(chǎn)品;③為參照配方[2]仿制產(chǎn)品;④為某公司

    產(chǎn)品。●—優(yōu)異;◎—良好;○—一般。

    從試驗(yàn)結(jié)果分析,自然干燥的有機(jī)鈦涂料、聚脲彈性體涂料在熱氧老化性試驗(yàn)中,拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度不降而升,而斷裂伸長(zhǎng)率下降的原因,可能是在高溫環(huán)境下促進(jìn)了涂層的熟化過(guò)程,使固化程度更加完全,導(dǎo)致剛性增強(qiáng)、彈性減低的緣故。只有納米改性瓷膜涂料能通過(guò)了150℃,30MPa的耐高溫高壓熱蒸氣穿透性模擬試驗(yàn)。

    2.4涂裝方法與施工性

    2.4.1涂裝方法

    高壓無(wú)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(huán)境下閃干,濕膜厚度不小于200～250μm,一次烘干成膜,干膜厚可達(dá)到150～200μm。本法適合于隧道梯式溫度烘房流水線作業(yè)。

    吊掛浸涂法:暫無(wú)流水生產(chǎn)線的企業(yè)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(dá)200μm以上,常溫閃干30min后,即可入爐烘干。浸涂的優(yōu)點(diǎn)是一次性作業(yè),內(nèi)外一起涂裝,省時(shí)省力,缺點(diǎn)是對(duì)稀釋劑有嚴(yán)格要求,若調(diào)整不好,烘干過(guò)程容易起泡,出現(xiàn)針孔等漆病。

    2.4.2成膜條件

    本產(chǎn)品為熱塑-熱固混合型涂料,經(jīng)試驗(yàn)表明,固化溫度低于200℃時(shí)雖然可以干燥,但難于形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的涂膜。最佳固化溫度為220～250℃。固化溫度與烘干時(shí)間呈反比關(guān)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(jié)合不是很好。為了提高漆膜的層間附著力,通過(guò)試驗(yàn),選擇“濕碰濕”的涂裝方法,可以使?jié)衲�層間融合為一體,固化后的涂層不存在層間剝離現(xiàn)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(dāng)?shù)南♂寗?否則,在烘干過(guò)程容易發(fā)生起泡、針孔等現(xiàn)象。反復(fù)試驗(yàn)后,確定使用溶解力比較強(qiáng)的高沸點(diǎn)溶劑,如環(huán)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(jīng)濟(jì)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(yōu)越的性價(jià)比展示了它的市場(chǎng)前景。

    性價(jià)比指數(shù)表示如下:

    性價(jià)比指數(shù)越低,經(jīng)濟(jì)受益越好,產(chǎn)品就有生命力。通過(guò)考核計(jì)算,納米改性瓷膜漆M=0.37;有機(jī)鈦涂料M=0.44;聚脲彈性體涂料M=0.58;納米改性環(huán)氧防腐漆M=0.60。從中可以預(yù)測(cè)出納米改性瓷膜涂料應(yīng)用市場(chǎng)的樂(lè)觀前景。

    4結(jié)語(yǔ)

    引入納米復(fù)合技術(shù),開發(fā)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(jīng)濟(jì)分析表明,納米改性瓷膜涂料應(yīng)用市場(chǎng)較好。