摘 要：本课题主要研究纳米涂层抑制三元复合驱污水对管道的腐蚀。通过实验室模拟现场腐蚀，研究了涂有纳米涂层的试片和没有涂纳米涂层的试片在污水中的腐蚀速率和外观变化，得出有纳米涂层可以显著抑制油田污水对管道的腐蚀，并分析了原因。
关键词：管道腐蚀；纳米涂层；三元复合驱污水
0 引言
随着油田开发的不断深入，三元复合驱采油技术因能大幅提高采油率而得到广泛应用[1]。但是三元复合驱采油技术也面临着严质量的腐蚀问题，穿孔腐蚀现象频发，严质量影响了原油的正常生产[2]。
纳米涂层是指运用表面处理技术，将部分或全部含有纳米粉体的材料涂敷于基体，赋予了基体新的性能以达到改性的目的[3]。纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的性能，在防腐方面也有突出的作用。
纳米涂层可分为金属涂层、非金属涂层和复合涂层 3类。金属涂层通常利用电解、还原和喷雾等方法在金属和合金表面生成。无机非金属材料纳米微粒，可以通过烧结、喷涂或沉积等方法形成金属基复合材料涂层，例如将金属粉添加到高分子材料中形成复合材料涂层。纳米材料涂层可以提高基体的防护能力，达到表面修饰和装饰的目的。
在涂料中加入纳米微粒，能够提高涂膜耐大气腐蚀和紫外线侵害的性能，还可以实现防降解、防变色等功效。
1 试验部分
1.1 原料和仪器
涂有纳米涂层的碳钢试片、普通碳钢试片、三元复合驱污水、丙酮、干燥及测量用品、电子天平、温度计。
1.2 纳米涂层制作方法
试验所用的纳米涂层试片制作方法：首先对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，利用大孔径喷枪将团聚态纳米材料的热喷涂粉末喷涂到基体表面，获得高质量的纳米组织的表面涂层[4]。
1.3 试验步骤
(1) 将试件编号、测量尺寸；(2) 称质量；(3) 使用准备好的三元复合驱中的污水，用尼龙绳将试件分别悬挂浸泡在三元复合驱的污水中，如图 1 所示。(4) 在三元复合驱污水中浸泡的一段时间内，观察和记录试件表面的现象；(5) 取出试件(在三元复合驱污水中浸泡一段时间后)，用丙酮擦拭，观察和记录试件表面的现象；(6) 试件干燥后称质量，采用增质量法；(7) 称质量后除去涂膜表面的腐蚀产物，对少量的腐蚀产物进行分析；(8) 记录现象，数据计算。
2 抗腐蚀试验测试方法
金属受到均匀腐蚀时的腐蚀速度的表示方法一般有两种：一种是用在单位时间内，单位面积上金属损失的质量来表示，通常采用的单位是 g/m2·h；另一种是用单位时间内金属腐蚀的深度来表示，通常采用的单位是 mm/a。
质量法是根据腐蚀前后金属试件质量的变化来测定金属腐蚀速度的。质量法分为失质量法和增质量法两种。当金属表面上的腐蚀产物较容易除净且不会因为清除腐蚀产物而损坏金属本体时常用失质量法；当腐蚀产物牢固地附着在金属表面时用增质量法。把金属做成一定形状和大小的试件，放在腐蚀环境中，经过一段时间后取出并测定其质量和尺寸的变化，计算其腐蚀速度。
3 结果与讨论
3.1 数据记录图表
表1记录了试件在三元复合驱污水中浸泡10 d(240 h)的腐蚀情况。外界条件是 22.5 ℃，1 个大气压，pH=7.7。
根据公式(2)用增质量法计算出的腐蚀速度结果可以看出，涂有纳米涂层的试件腐蚀速率远远小于没有涂覆纳米涂层的试件，所以纳米涂层可以有效抑制试件的腐蚀。
3.2 试验图片及现象分析
图 2 和图 3 分别是涂有纳米涂层的试件和没有涂覆纳米涂层的试件在三元复合驱污水中浸泡10 d(240 h)后腐蚀后宏观形貌。
在图 2 与图 3 中，可以发现涂有纳米涂层的碳钢试件在腐蚀试验后，没有产生腐蚀物质，只有打磨留下来的竖条滑痕和典型的金属基体表面。而没有纳米涂层的碳钢试件已经锈迹斑斑，看不出金属本色。通过能谱分析，没有纳米涂层的碳钢试件的腐蚀产物主要是 Fe2O3、Fe3O4和 FeS等物质的混合物。
图 4 和图 5 分别是涂有纳米涂层的试件和没有涂覆纳米涂层的试件在三元复合驱污水中浸泡10 d(240 h)后在显微镜下的微观形貌。
在图 4 与图 5 中，可以发现在没有纳米涂层的碳钢试件腐蚀试验后的表面出现大量的小颗粒状、呈微黄色的表面产物，并且还有隐约可见的银白色金属基体。涂有纳米涂层的碳钢试件的微观组织没有变化，而且腐蚀速度极小，所以可以认为不发生腐蚀。
4 纳米管道的涂层防腐机理
涂有纳米涂层的试件比没有涂覆纳米涂层的试件耐腐蚀性强，主要原因归于：
(1) 屏蔽作用：金属表面涂覆涂料以后，相对来说就把金属表面和环境隔开了，这种作用可称为屏蔽作用。为了提高涂层的抗渗透型，防腐涂料应选用透气性小的成膜物质和屏蔽性大的固体填料，同时应增加涂覆层数，以使涂层达到一定的厚度且致密无孔。
(2) 缓蚀作用：借助涂料的内部组分与金属反应，使金属表面钝化或生成保护性的物质以提高涂层的保护作用。
(3) 附着力和凝聚力：管道表面涂层的好坏，除了与基体金属和涂料本身的性能有关外，也与涂装的工艺性能有直接关系。这些工艺性能中，起决定作用的是涂层与基体的附着力。可用涂层附着力来决定涂层的耐蚀性，附着力强度越大越好。同时涂层的凝聚力也是非常质量要的，涂层必须形成致密牢固连续的膜层，才能起到良好的阻挡作用。以上两方面缺一不可，附着力不好，再完好的涂层也起不到作用；而涂层凝聚力差，则漆膜容易龟裂。这两者共同决定涂层的附着力，构成决定涂层的保护作用的关键因素[6]。
本实验中纳米涂层体系已不仅仅是形成一层阻挡层，而是携带有许多功能添加剂的综合体，其中的耐蚀物质可以有效地阻止涂层下金属腐蚀的发生和发展，使附着力程维持相当长的时间。
5 结论
在实验室模拟腐蚀实验中，采用了静态挂片腐蚀实验方法。选用了 2 个纳米涂层试件和 3 个普通碳钢试件，在腐蚀实验过程中发现表面涂有纳米涂层的试件腐蚀速率非常小，而没做保护涂层的那些试件腐蚀相当快。纳米涂层的耐腐蚀机理主要是由于其屏蔽作用、缓蚀作用和良好的附着力和凝聚力，这不仅形成一层阻挡层，而且可以有效地阻止涂层下金属腐蚀的发生和发展。
参考文献略
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