油井管內(nèi)涂層固化度的研究

(河北華油一機(jī)圖博涂層有限公司，河北 滄州 062658)

環(huán)氧粉末涂層具有優(yōu)異的附著性、穩(wěn)定性、耐酸堿及耐高溫等防腐蝕性能，大大增加了鉆標(biāo)的使用壽命，因此在各大油田中得到廣泛使用[1]。粉末涂層的固化度決定了內(nèi)涂層的性能，固化不完全的涂層偏軟，過度固化涂層影響使用壽命。在以往的生產(chǎn)過程中，粉末涂層的最終固化情況只通過顏色標(biāo)準(zhǔn)板對(duì)比顏色深淺來判斷，判斷單一，不準(zhǔn)確。為了更好地確定涂層固化工藝，保證涂層性能，使用DSC(差示掃描量熱法)分析了不同管徑鉆桿內(nèi)涂層在不同固化溫度和不同固化時(shí)間的固化情況，最終確定了固化工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)原理及固化度計(jì)算方法

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置及材料主要由6部分構(gòu)成，包括帶制冷設(shè)備的DSC、精度為0.1 mg的分析天平、烘烤箱、鉆桿開天窗試片、國外某品牌粉末涂料及顏色標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比板等。

將粉末涂料或涂層試樣取少量放入DSC裝置內(nèi)，在程序控制溫度下，測(cè)出涂料或涂層與參比物的功率差與溫度的關(guān)系。當(dāng)試樣吸熱時(shí)，補(bǔ)償放大器使試樣一側(cè)的電流立即增大；反之，當(dāng)試樣放熱時(shí)則使參比物一側(cè)的電流增大，直到兩邊熱量平衡，溫差ΔT消失為止。試樣在熱反應(yīng)時(shí)發(fā)生的熱量變化，由于及時(shí)輸入電功率而得到補(bǔ)償，所以實(shí)際記錄的是試樣和參比物下面兩只電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β什铍S時(shí)間t的變化關(guān)系[2]。

1.2 涂層固化度計(jì)算方法

固化轉(zhuǎn)化率C是熱固性樹脂材料的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小反映了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，同時(shí)也決定著涂層性能指標(biāo)的優(yōu)劣。目前廣泛應(yīng)用DSC對(duì)環(huán)氧粉末涂層固化度進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于涂層，用下列公式計(jì)算固化轉(zhuǎn)化率：

式中：ΔH為環(huán)氧粉末試樣以20 ℃/min的升溫速率，從25 ℃加熱到350 ℃，然后將試樣急冷到 25 ℃ 過程中所測(cè)得的反應(yīng)放熱量， J/g；ΔH1為環(huán)氧粉末涂層試樣以20 ℃/min的升溫速率，從25 ℃加熱到350 ℃，然后將試樣急冷到25 ℃過程中所測(cè)得的反應(yīng)放熱量， J/g[2]37。

2 油井管內(nèi)涂層性能分析

應(yīng)用DSC對(duì)環(huán)氧粉末試樣以20 ℃/min的升溫速率從25 ℃加熱到350 ℃，然后將試樣急冷到25 ℃，得到固化放熱曲線，如圖1所示。

圖1 粉末涂料DSC曲線

從圖1可以看出，此涂料固化的起始溫度為146.3 ℃、峰頂溫度為252.3 ℃、終止溫度為348.7 ℃。反應(yīng)速率逐漸加快，在峰頂252.3 ℃時(shí)反應(yīng)速率最快，之后又開始降低。基于綜合考慮，在實(shí)際生產(chǎn)過程中固化溫度取220～250 ℃。

3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)166 mm鉆桿試片分別在不同固化溫度和固化時(shí)間下進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，通過DSC確定各自的固化度。最終找出固化時(shí)間、固化溫度和固化度之間的關(guān)系以及涂層附著力、涂層表面耐磨性與固化度的關(guān)系。

3.1 固化時(shí)間和溫度與固化度的關(guān)系

將166 mm鉆桿涂層試片在220，230，240 ℃的溫度下分別固化30，40，50，60，70，80，90，100和110 min,測(cè)定其固化度，記錄數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，要提高粉末固化度可采用延長固化時(shí)間和提高固化溫度兩種途徑。在相同的固化溫度下，固化時(shí)間越長，固化度越高。在相同的固化時(shí)間下，固化溫度越高，固化度越高[3]。

表1 溫度、時(shí)間和固化度數(shù)據(jù)

3.2 固化度與涂層附著力的關(guān)系

按照鉆桿內(nèi)涂層附著力檢驗(yàn)方法對(duì)3.1所做涂層依次進(jìn)行附著力測(cè)試，將3.1得到的固化度數(shù)據(jù)和附著力數(shù)據(jù)記錄于表2中[4]。

表2 固化度和附著力等級(jí)

從表2可以看出，在220 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為60～90 min時(shí)，附著力為A級(jí)；在230 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為60～80 min時(shí)，附著力為A級(jí)；在240 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為50～70 min時(shí)，附著力為A級(jí)，且固化度均大于95%。

3.3 固化度與耐磨性的關(guān)系

按照鉆桿內(nèi)涂層耐磨性檢驗(yàn)方法(落砂法)對(duì)3.1所做涂層依次進(jìn)行耐磨性測(cè)試，將3.1得到的固化度數(shù)據(jù)和耐磨性數(shù)據(jù)記錄于表3中。

表3 固化度和耐磨性

從表3可以看出，在220 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為60～90 min時(shí)，涂層耐磨性不小于2 L/μm;在230 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為60～80 min時(shí)，涂層耐磨性不小于2 L/μm;在240 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為50～70 min時(shí)，涂層耐磨性不小于2 L/μm，涂層固化度均大于95%。

4 結(jié)束語

使用DSC對(duì)鉆桿內(nèi)涂層在不同溫度和固化時(shí)間下的固化度研究，分析了固化溫度和固化時(shí)間等因素對(duì)固化度的影響，涂層附著力、涂層耐磨性與固化度的關(guān)系，確定了以下固化工藝參數(shù)：在220 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為60～90 min 時(shí)，涂層附著力和耐磨性最佳；在 230 ℃ 固化溫度下，固化時(shí)間為60～80 min時(shí)，涂層附著力和耐磨性最佳；在240 ℃固化溫度下，固化時(shí)間為50～70 min時(shí)，涂層附著力和耐磨性最佳。這對(duì)油井管防腐蝕內(nèi)涂層施工具有指導(dǎo)意義。