引言
    石油鉆桿在使用過(guò)程中常受到拉、扭和彎曲等交變應(yīng)力的作用，造成鉆桿疲勞損壞; 同時(shí)，鉆井泥漿中的溶解氧、二氧化碳及硫化氫等腐蝕介質(zhì)對(duì)鉆桿內(nèi)壁的腐蝕，地層中的氯化物、碳酸鹽及泥漿填料對(duì)鉆桿的沖擊磨損，會(huì)使鉆桿產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕破壞。目前，在鉆桿內(nèi)壁涂敷防腐涂料是國(guó)內(nèi)外普遍采用的防止鉆桿腐蝕和損壞的最有效的方法，經(jīng)過(guò)涂敷的鉆桿，使用壽命可提高兩倍以上。
    酚醛環(huán)氧涂料具有優(yōu)良的耐熱性、耐藥品性、耐鹽霧及耐磨性，在食品罐頭、航空部件及石油化工設(shè)施等上得到了應(yīng)用，是目前防止鉆桿腐蝕和損壞的涂料品種之一。中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司研制的SN222 鉆桿內(nèi)防腐涂料采用酚醛改性環(huán)氧樹(shù)脂，是利用環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基和脂羥基與酚醛樹(shù)脂的羥甲基和酚基在高溫下起交聯(lián)反應(yīng)，制得在常溫下穩(wěn)定的單組分涂料，但是該涂料固體含量較低。美國(guó)Tuboscope 公司研制的K34-XT 涂料其粘度和觸變指數(shù)較低，并且需要采用特殊的噴涂參數(shù)和烘烤工藝進(jìn)行涂層作業(yè)，以保證噴涂質(zhì)量，導(dǎo)致噴涂過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。
    本研究以酚醛環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物，聚醚胺為固化劑，石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉為顏填料，添加其他助劑，通過(guò)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探討了顏填料對(duì)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐磨性、附著力和粗糙度等性能的影響，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種具有耐酸堿、耐高溫高壓、硫化氫和二氧化碳腐蝕的酚醛環(huán)氧涂料。
    1 ·實(shí)驗(yàn)部分
    1． 1 原料
    1) 成膜物。酚醛環(huán)氧樹(shù)脂;
    2) 顏填料。石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉;
    3) 助劑。1，4-丁二醇二縮水甘油醚、二甲苯、二甲基硅油、硅烷偶聯(lián)劑和氣相二氧化硅;
    4) 固化劑。脂環(huán)改性胺和聚醚胺。
    1． 2 涂料和涂層制備方法
    在裝有10 g 的酚醛環(huán)氧樹(shù)脂的容器中加入2 g二甲苯、2 g 1，4-丁二醇二縮水甘油醚，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蛑镣耆芙?，隨后依次加入石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉并攪拌均勻; 在高速攪拌情況下加入其他助劑，并混合均勻，最后在攪拌下加入2． 5 g脂環(huán)改性胺和1 g 聚醚胺，混合均勻后即為酚醛環(huán)氧樹(shù)脂涂料。酚醛環(huán)氧涂料配方見(jiàn)表1。
    
    將配制好的涂料采用手工涂刷的方式涂在120 mm × 50 mm 馬口鐵片上，涂裝后的試樣在室溫下放置0． 5 ～ 1． 0 h，然后放入烘箱升溫至120℃，恒溫2 h，即得到所需涂層。涂層δ 為150 ～ 250 μm，其制備參照GB1727-92 漆膜一般制備法要求進(jìn)行。馬口鐵的表面處理按GB9271 規(guī)定進(jìn)行。
    1． 3 性能測(cè)試
    1) 附著力。按照SY/T 0544-2010 石油鉆桿內(nèi)涂層技術(shù)條件附錄A 中方法測(cè)定涂層附著力。
    2) 耐磨性。按照SY/T 0315-2005 鋼質(zhì)管道單層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范附錄J 測(cè)定涂層耐磨性。
    3) 粗糙度。按照J(rèn)JG 2018 表面粗糙度計(jì)量器具中方法測(cè)定涂層粗糙度。
    4) 耐高溫高壓性能。按照SY/T 0544-2010 石油鉆桿內(nèi)涂層技術(shù)條件附錄C 中方法測(cè)定涂層耐高溫高壓性能。
    5) 耐化學(xué)介質(zhì)性能。按照浸泡法測(cè)定涂層耐化學(xué)介質(zhì)性能。
    6) 拉伸性能。按照SY/T 0544-2010 石油鉆桿內(nèi)涂層技術(shù)條件附錄D 中方法測(cè)定涂層拉伸性能。
    7) 扭轉(zhuǎn)性能。按照SY/T 0544-2010 石油鉆桿內(nèi)涂層技術(shù)條件附錄E 中方法測(cè)定涂層扭轉(zhuǎn)性能。
    2 ·正交試驗(yàn)與結(jié)果分析
    經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定了酚醛環(huán)氧涂料各物質(zhì)的最佳比例。m( 酚醛環(huán)氧樹(shù)脂) ∶ m( 二甲苯) ∶ m( 1，4-丁二醇二縮水甘油醚) ∶ m( 脂環(huán)改性胺) ∶ m( 聚醚胺) 為100∶ 20∶ 20∶ 25∶ 10。為了制備性能優(yōu)越的酚醛環(huán)氧涂料，還必須添加顏填料和助劑等物質(zhì)。影響涂層附著力、耐磨性和粗糙度等性能的主要因素是石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉等顏填料，因此為了提高酚醛環(huán)氧涂層附著力和耐磨性，降低涂層粗糙度，在保持成膜物、助劑和固化劑等組分不變的情況下，采用四因素三水平的正交試驗(yàn)，研究石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉等對(duì)酚醛環(huán)氧涂層附著力、耐磨性和粗糙度的影響，并進(jìn)行極差分析篩選涂料最佳配方組成。
    2． 1 正交試驗(yàn)
    根據(jù)單因素水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)采用四因素三水平L9( 34 ) 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)中將酚醛環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量定為10 g，考察石英粉、云母粉、滑石粉和鈦白粉質(zhì)量對(duì)涂層性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，方差分析見(jiàn)表4。對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析計(jì)算，即計(jì)算Ⅰ和Ｒ 值，Ⅰ代表某一水平三次組合配方的三次試驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅰ/3 為三次試驗(yàn)結(jié)果之和的平均值。Ｒ 值為極差，表示某因素水平的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大差數(shù)。
    
    
    
    2． 2 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖
    圖1、圖2 和圖3 分別為各因素對(duì)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐磨性、附著力和粗糙度的影響趨勢(shì)圖。
    
    由圖1 可知，隨著石英粉和鈦白粉用量的增加，涂層耐磨性明顯增加，石英粉作為堅(jiān)硬耐磨的填料具有良好的耐磨性。當(dāng)m( 石英粉) 超過(guò)1 g，m( 鈦白粉) 超過(guò)1． 6 g 后，涂料分散不均勻，導(dǎo)致涂層耐磨性下降。采用適量的云母粉，涂層耐磨性優(yōu)良。隨著滑石粉用量增加，涂層耐磨性基本呈減小趨勢(shì)，滑石粉具有優(yōu)異的減磨效果。對(duì)涂層耐磨性分析，可以得出石英粉質(zhì)量為1． 0 g，云母粉質(zhì)量為0． 8g，滑石粉質(zhì)量為0． 2 g，鈦白粉質(zhì)量為1． 6 g 時(shí)，涂層耐磨性達(dá)到最佳效果。
    
    由圖2 可知，隨著云母粉和滑石粉質(zhì)量的增加，涂層附著力不再增加。云母粉具有附著強(qiáng)的特性，但是隨著云母粉質(zhì)量增加，涂料分散性降低，導(dǎo)致附著力有所下降。對(duì)涂層附著力分析，可以得出石英粉質(zhì)量為1． 0 g，云母粉質(zhì)量為0． 8 g，滑石粉質(zhì)量為0． 2 g，鈦白粉質(zhì)量為1． 6 g 時(shí)，涂層附著力達(dá)到最佳效果。
    
    由圖3 可知，隨著鈦白粉的用量增加，涂層粗糙度先下降后又上升。這是由于適量的鈦白粉可以降低涂層的粗糙度，但是過(guò)量的鈦白粉會(huì)導(dǎo)致涂料易沉淀，從而增加了涂層的粗糙度。少量的滑石粉可以顯著降低涂層粗糙度，這是因?yàn)榛劬哂袧?rùn)滑性，但是過(guò)量的滑石粉同樣導(dǎo)致涂料分散不均勻。對(duì)涂層粗糙度分析，可以得出以石英粉質(zhì)量為1． 0 g，云母粉質(zhì)量為0． 8 g，滑石粉質(zhì)量為0． 2 g，鈦白粉質(zhì)量為1． 6 g 時(shí)，涂層粗糙度達(dá)到最佳效果。綜合分析各影響因素以及涂層性能測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，篩選出最優(yōu)涂料配方如表5。按最優(yōu)涂料配方所制備的涂層具有優(yōu)異的性能見(jiàn)表6。
    
    
      3 ·結(jié)語(yǔ)
      以耐磨性、附著力和粗糙度等作為酚醛環(huán)氧樹(shù)脂涂層性能的考核指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)和極差分析研究了石英粉、云母粉、滑石粉、鈦白粉等四個(gè)因素對(duì)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂涂層性能的影響，在此基礎(chǔ)上制備的酚醛環(huán)氧涂料，具有優(yōu)異的耐酸堿和耐高溫高壓H2S /CO2腐蝕的能力。