油气耦合介质在热塑性塑料中的渗透特性及机理研究

Thermoplastic lined composite pipes are broadly employed in transporting the oil and gas which contains H2S/CO2 due to its good corrosion resistance. However, permeation of gases of the often used thermoplastics makes the liner and the metal reinforcement at the risk of blister and corrosion, respectively, further makes the pipe in the danger of leakage. This brings a hidden danger for safety of pipelines and environment. Unfortunately, the permeation behavior and mechanism of coupled oil and gas in thermoplastics were not reported until now. Taking the coupled effect of oil and gas, nature of the polymer and the outer working conditions into consideration, this project intends to systematically investigate the permeation behavior of coupled oil and gas in thermoplastics, further to establish a suitable calculation equation of permeability under the actual working conditions. Meanwhile, combined with calculation and simulation of Materials Studio, the morphology, structure and composition of tested specimens will be fully studied to deduce the permeation mechanism of thermoplastics. Research on this field can not only supply a judgment to estimate permeation properties of traditional thermoplastics, but also can provide a guide theory to improve their permeation properties.

耐腐蚀性能优良的热塑性塑料内衬复合管在含H2S/CO2油气集输领域的应用受到广泛关注。但在使用过程中，气体组分在热塑性塑料中的渗透导致部分内衬起泡失效，进而将腐蚀金属增强层，给管线运行和生态环境带来巨大隐患。目前为止，对油气耦合介质在热塑性塑料中的渗透过程及规律等科学问题的解释未见报道，而对油气集输条件下热塑性塑料渗透机理的研究更未涉及。本项申请拟在充分考虑油气介质耦合作用、材料结构形态、外界物理场作用的基础上，全面、系统地研究油气多相介质在热塑性塑料中的渗透规律，建立材料在实际应用工况条件下的渗透率计算公式。同时，系统分析各条件下渗透性试验样品的宏微观形貌、组织结构和元素含量，结合Materials Studio软件计算模拟，揭示油气耦合介质在热塑性塑料中的渗透机理。该项研究不仅能为现有常用热塑性塑料的耐介质渗透性提供判定依据，还可为高阻隔热塑性内衬材料的研发提供理论指导。

气体组分在热塑性塑料中的渗透导致材料存在起泡失效现象，限制了热塑性塑料内衬复合管在含H2S/CO2油气集输领域的推广应用。为了给现有常用热塑性塑料的气体渗透性提供评定依据，为高阻隔热塑性内衬材料的研发提供理论指导，本项目研究了不同温度（30~80ºC）下，不同单组分气体（CO2、CH4、H2S）、不同配比混合气体、不同油气耦合介质等在不同热塑性塑料中（高密度聚乙烯HDPE、聚偏氟乙烯PVDF、尼龙PA）的渗透特性，分析了渗透样品微观形貌、组织结构和耐热性能变化规律，结合软件模拟，揭示了油气耦合介质在热塑性塑料中的渗透机理。研究结果包括：①构建了热塑性塑料气体渗透性试验方法及装置：首次开发了热塑性塑料气体渗透性能评价技术，并通过改造混合气体渗透试验装置、设计多组分气体供气方案、开发气体净化回收处理系统等，建立了标准化的试验系统及实验室；②确定了不同耦合介质在热塑性塑料中的渗透特性：不同单组分气体随温度升高在热塑性塑料中的渗透系数不断增加，3种热塑性塑料的气体阻隔性能表现为HDPE<PA<PVDF；混合气体中CO2的快气作用及增塑作用提高了混合气体的整体渗透率；煤油对热塑性塑料的溶胀及增塑作用促进了气体渗透进程；③揭示了材料结构特性对其渗透性能的影响规律：材料分子间作用力越强，越能限制气体的渗透和增塑作用，其阻隔性能越好。煤油浸泡对热塑性塑料结晶度的影响可以忽略，浸泡后的气体渗透性能只需考虑液相介质对材料的溶胀及增塑作用；④判定油气耦合及外界物理场作用下热塑性塑料的渗透机理：渗透样品的微观形貌、结构成分和耐热性能未发生明显变化，气体渗透主要模式为物理渗透过程，不存在化学侵蚀破坏。利用分子动力学模拟得到的扩散系数与实验结果吻合，气体在热塑性塑料中的扩散属于正常扩散（空穴间跃迁式的跳跃）。项目成果填补了我国油气田用非金属管气体渗透性能评定技术空白，为热塑性塑料内衬选材及阻隔性能提升提供了明确指南，有效推动了我国油气集输用非金属管评价及应用技术的进步。