储运工程专业中的新材料类教学实验

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油气储运工程学科是一门多学科交叉的综合性、应用型学科，主要服务对象是通过管道将全国乃至海外的油气田、制氢厂、LNG接收站、储库、石化厂、煤化工企业以及用户连成一个整体的统一网络系统[1]。在国家“双碳”战略背景下，油气储运具有更广泛的内涵，应面向多种能源介质（油气、二氧化碳、氢、氨、甲醇等）的储存和运输过程，涵盖油气储运系统全生命周期内涉及的技术方法、经济评估、管理决策等。传统的油气储运工程专业基础课程基本以流动与传热为主线、机械与电气为辅线设置[1]，总体上偏向于传统储运。目前，全国正加快建成统一油气管网，管道相关材料的质量和性能是影响建设质量的关键因素。储运行业从业人员必须了解不同材料在管道上的适用性，对管道材料进行全面把控和严格的质量评估，同时应掌握管道防腐技术和应用，从而保证管道服役期内的安全性和可靠性。这就要求储运行业从业人员必须具有一定的材料科学知识储备，乃至能够开发储运新材料。因此，结合油气储运专业特点的新材料类教学实验在油气储运工程专业本科教学中具有重要意义。本文针对油气管道冲蚀问题设计了基于表面强化的管道内涂层制备流程和防护机理教学实验。该实验具有实验操作简单、实验环节丰富、教学时长适中、可拓展性强等特点。

1实验介绍

冲蚀是指流体或固体颗粒以一定速度和角度冲击材料表面造成材料损失的现象，也称为侵蚀或冲蚀磨损。根据流体类型分为气固、液固以及气液固多相流冲蚀，其中多相流中泥砂颗粒的冲蚀过程广泛存在于海上油气田及水合物开发过程中。可燃冰地层流体抽取、海底天然气水合物浆液输送、泥砂颗粒在油气输送管道中的运移等过程，都是多相流携带泥砂颗粒冲蚀金属材料的典型案例。近年来，冲蚀造成的管线（弯管处）及设备破坏事故呈上升趋势，成为影响海上油气资源开发的主要危害之一。本项目针对砂粒冲击对管内壁的冲蚀问题，引导学生以小组为单位，对实验背景和目的进行文献调研及分析，调研重点是基于表面强化的涂层研究。表面强化是在通用材料基础上，采用适当表面技术使材料表面达到耐冲蚀磨损目的，是目前经济性最好、耐冲蚀性能最优的一种防冲蚀措施。其中，广泛应用的复合材料是热固性聚合物基体，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和环氧树脂等[2-4]，它们具有耐腐蚀性和粘结性能强等优点。此外，具有耐磨性和仿生超疏水性能的复合材料涂层也可作为实验开展前的调研内容[5-10]。理论上，疏水表面抗拒与周围腐蚀介质接触，从而增强了基体结构的耐腐蚀性[11-13]。在海底管道领域，高分子耐磨疏水材料已得到广泛应用[5,14-15]。本实验的基本思路是：将环氧树脂作为顶部涂层连续相，通过将纤维状颗粒碳纳米管与二氧化钛颗粒混杂方式提高涂层表面的耐拉强度。受人体半月板结构的启发，将弹性模量较小且粘结性较好的聚二甲基硅氧烷作为中间缓冲层，以降低颗粒冲击强度的上限值。最后，结合冲蚀环路实验装置，测试所制备仿生涂层结构对降低冲蚀速率的作用。

2实验方法

实验材料包括道康宁公司生产的聚二甲基硅氧烷（PDMS），由阿拉丁提供的多壁碳纳米管（CNTs）、月桂酸和钛酸四乙酯。环氧树脂及其固化剂聚氨酯分别从镇江丹宝树脂有限公司和宜春卓悦化工有限公司购买。无水乙醇由国药集团化学试剂有限公司生产，蒸馏水由UPHII-20T净水系统供给。

2.1样品制备

（1）改性二氧化钛颗粒制备。首先将0.2g月桂酸分散在15mL无水乙醇中，并超声处理10min。将300μL钛酸四乙酯缓慢滴入溶液中，并通过磁力搅拌器在400r/min下搅拌20min。然后向溶液中添加200μL去离子水和10μL0.2mol/L的HCl，并将转速调至700r/min搅拌20min。最后，将分散液以10000rad/min的速度离心3h，获得月桂酸改性二氧化钛纳米颗粒，将其在60℃真空干燥箱中干燥以供进一步使用。

（2）PDMS缓冲层的制备。分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗316L不锈钢基板15min。将PDMS与固化剂按30∶1比例混合，并以2000rad/min的速度旋涂在基底上，持续15s。最后，在60℃下加热2h，完成PDMS的固化过程。

（3）超疏水耐磨涂层的制备。将0.6g环氧树脂（包括同等质量的聚氨酯）以2000rad/min的速度旋涂在基底上，持续25s。将获得的改性二氧化钛颗粒和多壁碳纳米管以适当比例（0.2g改性二氧化钛、0.1g多壁碳纳米管）分散在水中，然后喷涂在未固化的环氧树脂上。再将样品置于120℃烘箱中，并在25kPa下压制2h，得到超疏水耐磨涂层。

2.2样品表征

实验中采用SEM电镜观测样品的结构形貌。样品表面的静置水接触角（CA）和滑动水接触角（SA）采用接触角测量仪测试，液滴体积为4μL。测试中，对每个样品的4个不同位置进行4次测试，并以平均值作为最终结果。为测试涂层表面的机械耐久性，主要采用以下三种方式：

（1）沙冲实验。在简易沙冲实验装置上，设置1m冲击高度，将100mL的沙子置于漏斗中冲击底部的涂层试片。每100次循环测量一次样品表面的水接触角。实验装置如图1(a)所示。

（2）砂纸耐磨实验。使用600目砂纸，在样品表面施加重量为2000g的砝码，样品在外力拖动下沿尺子移动，每次的移动距离为5cm。每完成50次打磨即测量一次表面接触角，直到静置水接触角小于150°，滑动水接触角大于5°为止。实验装置如图1(b)所示。

（3）冲蚀环路实验。实验装置如图1(c)所示，主要包括：测试环道、颗粒回收桶、搅拌器、小型空气压缩机、止回阀、电磁流量计、测试弯管、分离器等。将样品置于弯管内，试样的暴露面积为8mm×6mm，试样厚度为0.6mm。实验中使用了粒度为280~320μm、密度为2650kg/m3的石英砂。沙子被压缩机带入实验回路，入口流速为20m/s，沙粒质量流量为0.2kg/s，冲蚀实验持续24h。

3结果与讨论

3.1结构和形貌表征

图2为超疏水耐磨涂层表面的SEM图。由图2可以看出，所制备的超疏水二氧化钛颗粒直径集中在100~500nm，颗粒之间紧密粘附在一起，在表面形成具有纳米尺度特征的粗糙结构。同时，固体颗粒被粘结剂牢固粘附而不是疏松地堆叠在固体表面。此外，超疏水涂层表面颗粒分布均匀，没有裂痕纹理，说明经过热压形成的疏水表面形成了致密均匀的二氧化钛超疏水薄膜。

3.2疏水性测试

图3为涂层表面的接触角测试图。可以发现，当表面被改性二氧化钛颗粒和多壁碳纳米管修饰后，水滴接触表面可瞬间形成一个完整的球滴，接触角为152.2°。滑动水接触角测试结果表明，水滴在3.8°时开始滑动，说明涂层表面已具备超疏水性。

3.3耐磨性测试

由图4可以看出，随耐磨次数的增加，静置水接触角基本保持不变。直到涂层在经过1000次磨损循环后，超疏水性能才开始衰减，涂层的滑动水接触角增大至8.2°。据此可以认为，涂层机械稳定性优异，满足工业应用要求。

3.4耐冲蚀性测试

316L不锈钢是海底管道系统中双金属复合管内衬的常用材料，本实验选择316L不锈钢作为对照组。冲蚀速率测试如图5所示。图5(a)、(b)和图5(c)、(d)分别显示了水平弯管在受冲蚀前后316L样品和仿生涂层的形态。在两种样品上均可看到损伤程度不一的划痕和冲蚀坑。本文通过犁割和切削两种机制来解释管壁的冲蚀剖面。

（1）当颗粒以大角度受到冲击时，材料会因颗粒的压缩而发生塑性变形和切割，形成冲蚀坑。需要注意的是，如果盲目提高材料硬度，高脆性材料会出现裂纹，导致涂层与基体分离，失去原有的保护功能。因此，为了进一步提高涂层的抗冲蚀性，应通过引入缓冲层来降低颗粒的冲击强度。

（2）当颗粒以低角度受到冲击时，颗粒的尖角与材料表面接触，涂层表面上的材料以犁割形式被刮掉，导致划痕被拉长。最终，随着冲蚀时间的增加，划痕开始向两侧扩散，引起涂层整体变薄。由图5(e)可以看出，与没有涂层的316L样品相比，涂层样品的最大冲蚀速率为48.47nm/s，降低了47.99%，表明在冲蚀过程中涂层具有优异的耐冲蚀性能，可长久有效保护管道表面不受损伤。

4结语

本实验针对油气管道冲蚀问题，通过热压法制备了借鉴人体半月板结构的超疏水耐磨涂层，并结合实际管道环路装置验证了所制备的超疏水涂层优异的机械稳定性。本实验曾作为我校本科生科研训练计划（SRTP）项目，吸引了2批次共计10位本科生参与，在培养创新人才方面发挥了积极作用。实验设计涵盖物理化学、材料力学、工程流体力学等方面的知识，学生通过理论分析、超疏水耐磨涂层材料制备表征及其在环路中的性能测试，强化并综合应用了材料科学理论知识点及基本实验操作技能，体会了新材料应用对油气储运行业的重要价值。

参考文献

[1]何利民，吕宇玲，杨东海，等.能源转型与人工智能时代油气储运本科教育应对策略[J].油气储运，2022,41(6):694–701.

[6]高宇坤，尤汀汀，殷鹏刚.基于仿生超疏水的拉曼光谱综合实验设计[J].实验技术与管理，2022,39(1):191–193,213.

[7]佟威，熊党生.仿生超疏水表面的发展及其应用研究进展[J].无机材料学报，2019,34(11):1133–1144.

[8]张秩鸣，陈寅，孙振新，等.超疏水复合涂层的机械性能研究进展[J].表面技术，2021,50(1):277–286.

[9]阳俊龙.耐磨材料在涂层防护方面的研究进展[J].化工技术与开发，2021,50(10):47–51.

作者:滕霖 肖梦琪 臧雪瑞 边江 赖跃坤 单位:福州大学 石油化工学院 清源创新实验室 中国石油大学（华东）  储运与建筑工程学院