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油氣儲運(yùn)工程學(xué)科是一門多學(xué)科交叉的綜合性、應(yīng)用型學(xué)科，主要服務(wù)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(yè)以及用戶連成一個(gè)整體的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，油氣儲運(yùn)具有更廣泛的內(nèi)涵，應(yīng)面向多種能源介質(zhì)（油氣、二氧化碳、氫、氨、甲醇等）的儲存和運(yùn)輸過程，涵蓋油氣儲運(yùn)系統(tǒng)全生命周期內(nèi)涉及的技術(shù)方法、經(jīng)濟(jì)評估、管理決策等。傳統(tǒng)的油氣儲運(yùn)工程專業(yè)基礎(chǔ)課程基本以流動(dòng)與傳熱為主線、機(jī)械與電氣為輔線設(shè)置[1]，總體上偏向于傳統(tǒng)儲運(yùn)。目前，全國正加快建成統(tǒng)一油氣管網(wǎng)，管道相關(guān)材料的質(zhì)量和性能是影響建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。儲運(yùn)行業(yè)從業(yè)人員必須了解不同材料在管道上的適用性，對管道材料進(jìn)行全面把控和嚴(yán)格的質(zhì)量評估，同時(shí)應(yīng)掌握管道防腐技術(shù)和應(yīng)用，從而保證管道服役期內(nèi)的安全性和可靠性。這就要求儲運(yùn)行業(yè)從業(yè)人員必須具有一定的材料科學(xué)知識儲備，乃至能夠開發(fā)儲運(yùn)新材料。因此，結(jié)合油氣儲運(yùn)專業(yè)特點(diǎn)的新材料類教學(xué)實(shí)驗(yàn)在油氣儲運(yùn)工程專業(yè)本科教學(xué)中具有重要意義。本文針對油氣管道沖蝕問題設(shè)計(jì)了基于表面強(qiáng)化的管道內(nèi)涂層制備流程和防護(hù)機(jī)理教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)操作簡單、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)豐富、教學(xué)時(shí)長適中、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象，也稱為侵蝕或沖蝕磨損。根據(jù)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(fā)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(yùn)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(shè)備破壞事故呈上升趨勢，成為影響海上油氣資源開發(fā)的主要危害之一。本項(xiàng)目針對砂粒沖擊對管內(nèi)壁的沖蝕問題，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，對實(shí)驗(yàn)背景和目的進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研及分析，調(diào)研重點(diǎn)是基于表面強(qiáng)化的涂層研究。表面強(qiáng)化是在通用材料基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)表面技術(shù)使材料表面達(dá)到耐沖蝕磨損目的，是目前經(jīng)濟(jì)性最好、耐沖蝕性能最優(yōu)的一種防沖蝕措施。其中，廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料是熱固性聚合物基體，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和環(huán)氧樹脂等[2-4]，它們具有耐腐蝕性和粘結(jié)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，具有耐磨性和仿生超疏水性能的復(fù)合材料涂層也可作為實(shí)驗(yàn)開展前的調(diào)研內(nèi)容[5-10]。理論上，疏水表面抗拒與周圍腐蝕介質(zhì)接觸，從而增強(qiáng)了基體結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性[11-13]。在海底管道領(lǐng)域，高分子耐磨疏水材料已得到廣泛應(yīng)用[5,14-15]。本實(shí)驗(yàn)的基本思路是：將環(huán)氧樹脂作為頂部涂層連續(xù)相，通過將纖維狀顆粒碳納米管與二氧化鈦顆?；祀s方式提高涂層表面的耐拉強(qiáng)度。受人體半月板結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將彈性模量較小且粘結(jié)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(qiáng)度的上限值。最后，結(jié)合沖蝕環(huán)路實(shí)驗(yàn)裝置，測試所制備仿生涂層結(jié)構(gòu)對降低沖蝕速率的作用。

2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料包括道康寧公司生產(chǎn)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(huán)氧樹脂及其固化劑聚氨酯分別從鎮(zhèn)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，蒸餾水由UPHII-20T凈水系統(tǒng)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(zhuǎn)速調(diào)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(jìn)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(xù)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(huán)氧樹脂（包括同等質(zhì)量的聚氨酯）以2000rad/min的速度旋涂在基底上，持續(xù)25s。將獲得的改性二氧化鈦顆粒和多壁碳納米管以適當(dāng)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(huán)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(shí)驗(yàn)中采用SEM電鏡觀測樣品的結(jié)構(gòu)形貌。樣品表面的靜置水接觸角（CA）和滑動(dòng)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(gè)樣品的4個(gè)不同位置進(jìn)行4次測試，并以平均值作為最終結(jié)果。為測試涂層表面的機(jī)械耐久性，主要采用以下三種方式：

（1）沙沖實(shí)驗(yàn)。在簡易沙沖實(shí)驗(yàn)裝置上，設(shè)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(huán)測量一次樣品表面的水接觸角。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示。

（2）砂紙耐磨實(shí)驗(yàn)。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(dòng)下沿尺子移動(dòng)，每次的移動(dòng)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(dòng)水接觸角大于5°為止。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(b)所示。

（3）沖蝕環(huán)路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(c)所示，主要包括：測試環(huán)道、顆?；厥胀?、攪拌器、小型空氣壓縮機(jī)、止回閥、電磁流量計(jì)、測試彎管、分離器等。將樣品置于彎管內(nèi)，試樣的暴露面積為8mm×6mm，試樣厚度為0.6mm。實(shí)驗(yàn)中使用了粒度為280~320μm、密度為2650kg/m3的石英砂。沙子被壓縮機(jī)帶入實(shí)驗(yàn)回路，入口流速為20m/s，沙粒質(zhì)量流量為0.2kg/s，沖蝕實(shí)驗(yàn)持續(xù)24h。

3結(jié)果與討論

3.1結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。同時(shí)，固體顆粒被粘結(jié)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(jīng)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?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(gè)完整的球滴，接觸角為152.2°?；瑒?dòng)水接觸角測試結(jié)果表明，水滴在3.8°時(shí)開始滑動(dòng)，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(shù)的增加，靜置水接觸角基本保持不變。直到涂層在經(jīng)過1000次磨損循環(huán)后，超疏水性能才開始衰減，涂層的滑動(dòng)水接觸角增大至8.2°。據(jù)此可以認(rèn)為，涂層機(jī)械穩(wěn)定性優(yōu)異，滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

3.4耐沖蝕性測試

316L不銹鋼是海底管道系統(tǒng)中雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯的常用材料，本實(shí)驗(yàn)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(tài)。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(jī)制來解釋管壁的沖蝕剖面。

（1）當(dāng)顆粒以大角度受到?jīng)_擊時(shí)，材料會因顆粒的壓縮而發(fā)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(xiàn)裂紋，導(dǎo)致涂層與基體分離，失去原有的保護(hù)功能。因此，為了進(jìn)一步提高涂層的抗沖蝕性，應(yīng)通過引入緩沖層來降低顆粒的沖擊強(qiáng)度。

（2）當(dāng)顆粒以低角度受到?jīng)_擊時(shí)，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(dǎo)致劃痕被拉長。最終，隨著沖蝕時(shí)間的增加，劃痕開始向兩側(cè)擴(kuò)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(yōu)異的耐沖蝕性能，可長久有效保護(hù)管道表面不受損傷。

4結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的超疏水耐磨涂層，并結(jié)合實(shí)際管道環(huán)路裝置驗(yàn)證了所制備的超疏水涂層優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)曾作為我校本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）項(xiàng)目，吸引了2批次共計(jì)10位本科生參與，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面發(fā)揮了積極作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)涵蓋物理化學(xué)、材料力學(xué)、工程流體力學(xué)等方面的知識，學(xué)生通過理論分析、超疏水耐磨涂層材料制備表征及其在環(huán)路中的性能測試，強(qiáng)化并綜合應(yīng)用了材料科學(xué)理論知識點(diǎn)及基本實(shí)驗(yàn)操作技能，體會了新材料應(yīng)用對油氣儲運(yùn)行業(yè)的重要價(jià)值。

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作者:滕霖 肖夢琪 臧雪瑞 邊江 賴躍坤 單位:福州大學(xué) 石油化工學(xué)院 清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室 中國石油大學(xué)（華東）  儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院