对地下几千米深的原油或天然气的开采,地质情况和腐蚀介质的成分非常复杂,由于高温(80～150℃)及高压(>3MPa)热蒸气的强力渗透作用,加之原油及污水中的各类腐蚀介质(如SO2-4、NO-3、Cl-、CN-、Ba+、Ca+等)和有害细菌的侵蚀,加速了油气井下管柱、管道和地上输油、输气管线、容器贮罐的化学腐蚀和沉积结垢,不但缩短了开采设备的使用寿命,造成油气田开采成本增高,并且严重影响企业的正常生产。如何有效解决地下原油开采所造成的钢制管道的腐蚀,成为当今世界缓解原油危机、加速能源工业发展的难题。

    为攻克这一难题,各国都在努力研究各种解决办法。例如,含钛聚合物涂料、金属热喷涂热浸镀、合金渗镀表面处理、合金化纳米复合涂层等技术的应用,对油气田开采用管道设施和生产贮运设备的保护,均起到了积极有效的作用,延长了设备的使用寿命,降低了生产维修成本,提高了企业的经济效益,有力地促进了石油工业的蓬勃发展。

    本研究采用纳米复合改性高聚物技术制备纳米瓷膜特种涂料,在油田采油管道防腐蚀试验中获得成功的应用,有效防止了高温高压水蒸汽的强渗透腐蚀,涂层在恶劣环境条件下耐各种化学介质的腐蚀、高压气体和泥砂石流的冲刷磨蚀,防止各种杂质粒子的沉积结垢现象,起到了提高原油、天然气采输管道的使用寿命和效率,达到了

    1实验部分

    1.1原料

    基体树脂[1]:纳米杂化聚芳醚酮预聚树脂:自制;功能树脂:JN9803树脂,常州嘉诺有机硅材料公司;A325交联树脂、A303交联树脂:首诺公司;功能颜料:Y908复合防锈颜料等,国产;颜料:色素炭黑,市售;涂料助剂:市售;HG9561(底面合一型)油田管道用纳米改性高聚物瓷膜涂料:自制;X-2000静电专用稀释剂:自制。

    1.2仪器设备

    标准试棒、试板;气压喷枪;高压无气喷涂机;隧道式烘房;恒温烤箱;麦考特漆膜测厚仪;划格器;不干胶带;中华牌铅笔(硬度H～6H);冲击仪;漆膜磨耗仪;盐雾试验箱;自配模拟腐蚀介质(化学试剂);自制密闭式耐高压不锈钢蒸煮缸。

    1.3试验条件

    1.3.1试棒制备与测试

    将涂料用专用稀释剂调整黏度至50～60s(涂-4杯),将试棒浸涂一道,吊挂在恒温烤箱中,升温至180～200℃烤干;再浸涂一道烤干后直接升温至250℃固化30min。测试涂层厚度应≥100μm,放入加有自来水的耐高压不锈钢蒸煮缸内(加水量为缸容积的三分之一),旋紧缸盖密封后放入恒温箱,150℃保温24h,减压开盖检验。

    1.3.2试板制备

    喷板检测,两道喷涂后要求干膜厚度达到≥100μm,按国家标准检验理化项目。

    1.4涂料配制工艺

    1.4.1配方设计

    配方设计如表1所示,表中所用原料均为质量份。

表1纳米改性瓷膜涂料配方设计

    1.4.2制备工艺

    先称取配方量三分之二的溶剂,然后加入一半配方量的树脂,加入分散剂、防沉剂等助剂,混合均匀后,加入颜填料,上分散机高速分散20～30min,移至三辊机或砂磨机研磨至要求细度,用配方中剩余的树脂和溶剂调整至要求黏度,待检测用。

    2结果与讨论

    2.1基体树脂的选择

    基体树脂关系到涂料成膜后涂层性能的优劣,是项目成败的主要因素。本研究之所以选择原本应用于航天航空工业领域的高强度、高性能、耐高温、耐腐蚀的聚合物新材料,目的是为了将这些新技术及成果迅速转化为生产力,从高尖端的科技领域推广到石油、化工、冶金、能源、制造,乃至民用等工业领域的实际应用中,以便解决结构性腐蚀的老大难问题。本研究采用自制的纳米氧化铝改性聚芳醚酮杂化聚合物作为基体树脂,通过配方设计实验,开发出石油气田采输管道防腐蚀专用纳米改性瓷膜特种涂料,并且与目前应用于油气田采输管道的几种优秀防腐蚀涂料进行了性能试验比较,从而证明了本研究成果的可行性。

    2.2涂料性能检验

    石油气田采输管道防腐蚀专用纳米改性瓷膜特种涂料的检验结果见表2。

表 2   纳米改性瓷膜涂料的综合性能

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    表2纳米改性瓷膜涂料的综合性能

    *:为底面漆复合涂层配套后的检测结果;底面合一漆同面漆检验。

    2.3涂层性能对比试验

    为了检验本涂料涂层性能,我们取油田目前所使用的管道防腐涂料和适用于管道防腐的几种涂料作测试比较,试验结果见表3。

表3几种适用于油田管道防腐蚀涂料的性能比较

    注:以上涂料性能均为复合涂层测试,使用同一底漆(即环氧改性有机硅富锌底漆)。①②为自制产品;③为参照配方[2]仿制产品;④为某公司

    产品。●—优异;◎—良好;○—一般。

    从试验结果分析,自然干燥的有机钛涂料、聚脲弹性体涂料在热氧老化性试验中,拉伸强度、撕裂强度不降而升,而断裂伸长率下降的原因,可能是在高温环境下促进了涂层的熟化过程,使固化程度更加完全,导致刚性增强、弹性减低的缘故。只有纳米改性瓷膜涂料能通过了150℃,30MPa的耐高温高压热蒸气穿透性模拟试验。

    2.4涂装方法与施工性

    2.4.1涂装方法

    高压无气喷涂:多道涂装2～3道,采用“湿碰湿”原厂漆黏度(涂-4杯,80～100s)喷涂,涂装间隔10～15min,25～30℃环境下闪干,湿膜厚度不小于200～250μm,一次烘干成膜,干膜厚可达到150～200μm。本法适合于隧道梯式温度烘房流水线作业。

    吊挂浸涂法:暂无流水生产线的企业可采用浸漆槽吊挂式浸涂和“面包炉”(间歇式烤漆房)方法施工。浸涂施工黏度可控制在60～80s,一道湿膜厚度可达200μm以上,常温闪干30min后,即可入炉烘干。浸涂的优点是一次性作业,内外一起涂装,省时省力,缺点是对稀释剂有严格要求,若调整不好,烘干过程容易起泡,出现针孔等漆病。

    2.4.2成膜条件

    本产品为热塑-热固混合型涂料,经试验表明,固化温度低于200℃时虽然可以干燥,但难于形成互穿网络结构的涂膜。最佳固化温度为220～250℃。固化温度与烘干时间呈反比关系。

    2.4.3层间影响

    纳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层间结合不是很好。为了提高漆膜的层间附着力,通过试验,选择“湿碰湿”的涂装方法,可以使湿膜层间融合为一体,固化后的涂层不存在层间剥离现象。这是解决层间剥离的最有效途径。

    2.4.4稀释剂

    “湿碰湿”涂装惟一值得注意的是选择适当的稀释剂,否则,在烘干过程容易发生起泡、针孔等现象。反复试验后,确定使用溶解力比较强的高沸点溶剂,如环己酮、异氟尔酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺等,完全可以消除。

    3经济分析

    用纳米氧化铝改性聚芳醚酮杂化聚合物配制的瓷膜涂料,其优越的性价比展示了它的市场前景。

    性价比指数表示如下:

    性价比指数越低,经济受益越好,产品就有生命力。通过考核计算,纳米改性瓷膜漆M=0.37;有机钛涂料M=0.44;聚脲弹性体涂料M=0.58;纳米改性环氧防腐漆M=0.60。从中可以预测出纳米改性瓷膜涂料应用市场的乐观前景。

    4结语

    引入纳米复合技术,开发适用于石油气田采输管道防腐蚀专用纳米改性瓷膜特种涂料,满足地下深层石油管道的防腐蚀要求,经济分析表明,纳米改性瓷膜涂料应用市场较好。