管线钢仿生多尺度微细结构疏油拒蜡功能表面的构建及耐久性研究

能源是人类赖以生存的物质基础。在总的能源消费结构中，目前石油所占比例为20%，而且还会逐年增加。因此，石油在能源领域占有举足轻重的地位。蜡在油井及管道壁上的沉积是长期困扰原油生产和运输的令人头痛的一个难题。自从人类开采石油以来，就无时无刻不与结蜡做斗争。本研究以管线钢为基底，采用喷丸自纳米化及化学刻蚀复合工艺制备仿生多尺度微细结构表面，并对其进行低自由能化修饰。揭示仿生多尺度微细结构功能表面的形成机理和控制机制，研究仿生多尺度微细结构表面组织分布、表面形貌的分形特征及其形成机制，阐明仿生多尺度微细结构表面的疏油规律及其机制，建立仿生多尺度微细结构表面疏油热力学模型，揭示低自由能化修饰层中外加纳米颗粒对功能表面疏油性的影响及其机制，揭示仿生多尺度微细结构功能表面拒蜡机理，探讨仿生多尺度微细结构功能表面的环境耐久性，推动我国石油企业防蜡技术更新换代和增产增收，为保障我国能源安全提供科技支撑。

能源是人类赖以生存的物质基础。在总的能源消费结构中，目前石油所占比例为20%，而且还会逐年增加。因此，石油在能源领域占有举足轻重的地位。在原油的储运过程中，管线表面粘油结蜡及腐蚀问题不可避免，是长期困扰原油生产和运输企业的难题。本研究分别以45#钢、X52、X70管线钢为基底，采用喷（抛）丸（砂）及盐酸溶液化学刻蚀复合工艺在钢板表面成功制备出仿生多尺度微细结构，并分别采用氟硅烷、十七烷酸及全氟辛酸对多尺度表面进行低自由能化修饰，优化了仿生多尺度疏水疏油功能表面的制备工艺参数。研究了喷（抛）丸（砂）表面、化学刻蚀表面及低自由能化修饰后的表面的微观结构。揭示了喷（抛）丸（砂）处理、化学刻蚀处理及低自由能化修饰对管线钢表面形貌形成的影响规律、控制方法及其机理。基于Matlab软件研究了仿生多尺度微细结构表面形貌的分形特征及其与液体的润湿性的关系。基于表面物理化学理论，对低能非光滑表面疏液机理进行了理论推导，建立了相关理论模型，证实了荷叶效应存在的合理性及必然性，同时从理论上证实了多尺度结构对非光滑表面疏液性有重要促进作用，研究结果对材料表面仿生具有重要推动作用。研究了仿生多尺度微细结构表面的疏水疏油规律，探讨了仿生多尺度微细结构表面与石蜡、原油的润湿性，探讨了温度的影响及机理。在管线钢上制备出的仿生疏液功能表面与水的最大接触角为156.4°，实现了超疏水，与机油的最大接触角为141°，与花生油的最大接触角为140°，与石蜡的最大接触角为119°，与原油的最大接触角为97°，达到了疏油性。探讨了仿生多尺度疏油功能表面的耐蚀性，发现制备的疏油表面自腐蚀电位比原始管线钢表面自腐蚀电位提高，同时自腐蚀电流密度减小，表明制备的疏油表面提高了管线钢表面的耐蚀性，为其得到广泛应用奠定了基础。