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油氣儲運工程學科是一門多學科交叉的綜合性、應用型學科，主要服務對象是通過管道將全國乃至海外的油氣田、制氫廠、LNG接收站、儲庫、石化廠、煤化工企業以及用戶連成一個整體的統一網絡系統[1]。在國家“雙碳”戰略背景下，油氣儲運具有更廣泛的內涵，應面向多種能源介質（油氣、二氧化碳、氫、氨、甲醇等）的儲存和運輸過程，涵蓋油氣儲運系統全生命周期內涉及的技術方法、經濟評估、管理決策等。傳統的油氣儲運工程專業基礎課程基本以流動與傳熱為主線、機械與電氣為輔線設置[1]，總體上偏向于傳統儲運。目前，全國正加快建成統一油氣管網，管道相關材料的質量和性能是影響建設質量的關鍵因素。儲運行業從業人員必須了解不同材料在管道上的適用性，對管道材料進行全面把控和嚴格的質量評估，同時應掌握管道防腐技術和應用，從而保證管道服役期內的安全性和可靠性。這就要求儲運行業從業人員必須具有一定的材料科學知識儲備，乃至能夠開發儲運新材料。因此，結合油氣儲運專業特點的新材料類教學實驗在油氣儲運工程專業本科教學中具有重要意義。本文針對油氣管道沖蝕問題設計了基于表面強化的管道內涂層制備流程和防護機理教學實驗。該實驗具有實驗操作簡單、實驗環節豐富、教學時長適中、可拓展性強等特點。

1實驗介紹

沖蝕是指流體或固體顆粒以一定速度和角度沖擊材料表面造成材料損失的現象，也稱為侵蝕或沖蝕磨損。根據流體類型分為氣固、液固以及氣液固多相流沖蝕，其中多相流中泥砂顆粒的沖蝕過程廣泛存在于海上油氣田及水合物開發過程中。可燃冰地層流體抽取、海底天然氣水合物漿液輸送、泥砂顆粒在油氣輸送管道中的運移等過程，都是多相流攜帶泥砂顆粒沖蝕金屬材料的典型案例。近年來，沖蝕造成的管線（彎管處）及設備破壞事故呈上升趨勢，成為影響海上油氣資源開發的主要危害之一。本項目針對砂粒沖擊對管內壁的沖蝕問題，引導學生以小組為單位，對實驗背景和目的進行文獻調研及分析，調研重點是基于表面強化的涂層研究。表面強化是在通用材料基礎上，采用適當表面技術使材料表面達到耐沖蝕磨損目的，是目前經濟性最好、耐沖蝕性能最優的一種防沖蝕措施。其中，廣泛應用的復合材料是熱固性聚合物基體，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和環氧樹脂等[2-4]，它們具有耐腐蝕性和粘結性能強等優點。此外，具有耐磨性和仿生超疏水性能的復合材料涂層也可作為實驗開展前的調研內容[5-10]。理論上，疏水表面抗拒與周圍腐蝕介質接觸，從而增強了基體結構的耐腐蝕性[11-13]。在海底管道領域，高分子耐磨疏水材料已得到廣泛應用[5,14-15]。本實驗的基本思路是：將環氧樹脂作為頂部涂層連續相，通過將纖維狀顆粒碳納米管與二氧化鈦顆粒混雜方式提高涂層表面的耐拉強度。受人體半月板結構的啟發，將彈性模量較小且粘結性較好的聚二甲基硅氧烷作為中間緩沖層，以降低顆粒沖擊強度的上限值。最后，結合沖蝕環路實驗裝置，測試所制備仿生涂層結構對降低沖蝕速率的作用。

2實驗方法

實驗材料包括道康寧公司生產的聚二甲基硅氧烷（PDMS），由阿拉丁提供的多壁碳納米管（CNTs）、月桂酸和鈦酸四乙酯。環氧樹脂及其固化劑聚氨酯分別從鎮江丹寶樹脂有限公司和宜春卓悅化工有限公司購買。無水乙醇由國藥集團化學試劑有限公司生產，蒸餾水由UPHII-20T凈水系統供給。

2.1樣品制備

（1）改性二氧化鈦顆粒制備。首先將0.2g月桂酸分散在15mL無水乙醇中，并超聲處理10min。將300μL鈦酸四乙酯緩慢滴入溶液中，并通過磁力攪拌器在400r/min下攪拌20min。然后向溶液中添加200μL去離子水和10μL0.2mol/L的HCl，并將轉速調至700r/min攪拌20min。最后，將分散液以10000rad/min的速度離心3h，獲得月桂酸改性二氧化鈦納米顆粒，將其在60℃真空干燥箱中干燥以供進一步使用。

（2）PDMS緩沖層的制備。分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗316L不銹鋼基板15min。將PDMS與固化劑按30∶1比例混合，并以2000rad/min的速度旋涂在基底上，持續15s。最后，在60℃下加熱2h，完成PDMS的固化過程。

（3）超疏水耐磨涂層的制備。將0.6g環氧樹脂（包括同等質量的聚氨酯）以2000rad/min的速度旋涂在基底上，持續25s。將獲得的改性二氧化鈦顆粒和多壁碳納米管以適當比例（0.2g改性二氧化鈦、0.1g多壁碳納米管）分散在水中，然后噴涂在未固化的環氧樹脂上。再將樣品置于120℃烘箱中，并在25kPa下壓制2h，得到超疏水耐磨涂層。

2.2樣品表征

實驗中采用SEM電鏡觀測樣品的結構形貌。樣品表面的靜置水接觸角（CA）和滑動水接觸角（SA）采用接觸角測量儀測試，液滴體積為4μL。測試中，對每個樣品的4個不同位置進行4次測試，并以平均值作為最終結果。為測試涂層表面的機械耐久性，主要采用以下三種方式：

（1）沙沖實驗。在簡易沙沖實驗裝置上，設置1m沖擊高度，將100mL的沙子置于漏斗中沖擊底部的涂層試片。每100次循環測量一次樣品表面的水接觸角。實驗裝置如圖1(a)所示。

（2）砂紙耐磨實驗。使用600目砂紙，在樣品表面施加重量為2000g的砝碼，樣品在外力拖動下沿尺子移動，每次的移動距離為5cm。每完成50次打磨即測量一次表面接觸角，直到靜置水接觸角小于150°，滑動水接觸角大于5°為止。實驗裝置如圖1(b)所示。

（3）沖蝕環路實驗。實驗裝置如圖1(c)所示，主要包括：測試環道、顆粒回收桶、攪拌器、小型空氣壓縮機、止回閥、電磁流量計、測試彎管、分離器等。將樣品置于彎管內，試樣的暴露面積為8mm×6mm，試樣厚度為0.6mm。實驗中使用了粒度為280~320μm、密度為2650kg/m3的石英砂。沙子被壓縮機帶入實驗回路，入口流速為20m/s，沙粒質量流量為0.2kg/s，沖蝕實驗持續24h。

3結果與討論

3.1結構和形貌表征

圖2為超疏水耐磨涂層表面的SEM圖。由圖2可以看出，所制備的超疏水二氧化鈦顆粒直徑集中在100~500nm，顆粒之間緊密粘附在一起，在表面形成具有納米尺度特征的粗糙結構。同時，固體顆粒被粘結劑牢固粘附而不是疏松地堆疊在固體表面。此外，超疏水涂層表面顆粒分布均勻，沒有裂痕紋理，說明經過熱壓形成的疏水表面形成了致密均勻的二氧化鈦超疏水薄膜。

3.2疏水性測試

圖3為涂層表面的接觸角測試圖。可以發現，當表面被改性二氧化鈦顆粒和多壁碳納米管修飾后，水滴接觸表面可瞬間形成一個完整的球滴，接觸角為152.2°。滑動水接觸角測試結果表明，水滴在3.8°時開始滑動，說明涂層表面已具備超疏水性。

3.3耐磨性測試

由圖4可以看出，隨耐磨次數的增加，靜置水接觸角基本保持不變。直到涂層在經過1000次磨損循環后，超疏水性能才開始衰減，涂層的滑動水接觸角增大至8.2°。據此可以認為，涂層機械穩定性優異，滿足工業應用要求。

3.4耐沖蝕性測試

316L不銹鋼是海底管道系統中雙金屬復合管內襯的常用材料，本實驗選擇316L不銹鋼作為對照組。沖蝕速率測試如圖5所示。圖5(a)、(b)和圖5(c)、(d)分別顯示了水平彎管在受沖蝕前后316L樣品和仿生涂層的形態。在兩種樣品上均可看到損傷程度不一的劃痕和沖蝕坑。本文通過犁割和切削兩種機制來解釋管壁的沖蝕剖面。

（1）當顆粒以大角度受到沖擊時，材料會因顆粒的壓縮而發生塑性變形和切割，形成沖蝕坑。需要注意的是，如果盲目提高材料硬度，高脆性材料會出現裂紋，導致涂層與基體分離，失去原有的保護功能。因此，為了進一步提高涂層的抗沖蝕性，應通過引入緩沖層來降低顆粒的沖擊強度。

（2）當顆粒以低角度受到沖擊時，顆粒的尖角與材料表面接觸，涂層表面上的材料以犁割形式被刮掉，導致劃痕被拉長。最終，隨著沖蝕時間的增加，劃痕開始向兩側擴散，引起涂層整體變薄。由圖5(e)可以看出，與沒有涂層的316L樣品相比，涂層樣品的最大沖蝕速率為48.47nm/s，降低了47.99%，表明在沖蝕過程中涂層具有優異的耐沖蝕性能，可長久有效保護管道表面不受損傷。

4結語

本實驗針對油氣管道沖蝕問題，通過熱壓法制備了借鑒人體半月板結構的超疏水耐磨涂層，并結合實際管道環路裝置驗證了所制備的超疏水涂層優異的機械穩定性。本實驗曾作為我校本科生科研訓練計劃（SRTP）項目，吸引了2批次共計10位本科生參與，在培養創新人才方面發揮了積極作用。實驗設計涵蓋物理化學、材料力學、工程流體力學等方面的知識，學生通過理論分析、超疏水耐磨涂層材料制備表征及其在環路中的性能測試，強化并綜合應用了材料科學理論知識點及基本實驗操作技能，體會了新材料應用對油氣儲運行業的重要價值。

參考文獻

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[8]張秩鳴，陳寅，孫振新，等.超疏水復合涂層的機械性能研究進展[J].表面技術，2021,50(1):277–286.

[9]陽俊龍.耐磨材料在涂層防護方面的研究進展[J].化工技術與開發，2021,50(10):47–51.

作者:滕霖 肖夢琪 臧雪瑞 邊江 賴躍坤 單位:福州大學 石油化工學院 清源創新實驗室 中國石油大學（華東）  儲運與建筑工程學院