摘  要：本文通过耐碱溶液腐蚀复合材料试样的静态浸泡试验和动态模拟试验，用质量指数法来评判材料的耐碱腐蚀等级，提出适合耐碱溶液腐蚀复合材料的佳方案。
1  前 言
    耐碱腐蚀复合材料的研究对我国的石油开采、输送、贮存等重要工业环节的开发和发展有着重大的指导意义。高分子复合材料不同于金属材料，不发生电化等腐蚀。同时，一般金属材料腐蚀多在其表面上开始发生，然后逐步向深处发展。而高分子复合材料的腐蚀一方面腐蚀介质会向材料内部进行扩散渗透，另一方面材料的某些组分也会从材料内部向外扩散和迁移，后溶解在介质中，其腐蚀主要是由于物理、化学、生物作用引起的。本文通过分析复合材料试样在碱溶液介质条件腐蚀前后外观、尺寸、重量、硬度、固化度、含胶量、弯曲强度等变化进行复合材料耐碱溶液腐蚀性能的研究。
2  研究路线及方法
    本文研究分以下几个步骤进行：1、碱溶液的配制；2、试验用原材料的筛选确定；3、复合材料试件的设计制作；4、静态浸泡试验及结果分析；5、动态模拟试验及结果分析。按照上述的研究路线，配制了标准碱溶液(其中碱浓度1%)，同时为对比试验，另外配制了浓度分别为10%和30%的碱溶液。
    根据其耐腐蚀特性、工艺特性等对复合材料用的基体材料进行了优化筛选，终选取了一种通用型乙烯基酯树脂(1#和3#试样)，一种双酚A型乙烯基酯树脂(2#试样)和一种热塑性塑料(4#试样)作为本文的试验用基体材料，采用不同的铺层设计，按照相关标准，制备了4种试样，完成了为期一年的六个期龄的静态浸泡实验和动态模拟试验。
    根据不同材料、不同碱浓度及期龄，绘制了弯曲强度及巴氏硬度变化率曲线图，以便更直观地分析结果。
3  研究过程及结果分析
3.1  静态浸泡试验
3.1.1  试样外观的变化
    按照国标GB11547-89及GB3857-87的要求，在浸泡24小时、15天、30天、90天、180天及360天对浸泡的试样进行了观察，并作相应的记录。同时，将原始试样和浸泡一年的试样进行了对比拍照。
    从终外观结果来看，各试样在碱溶液中，随期龄的增长，试样的颜色均有不同程度的加深，其中以10%碱浓度的试样明显，因此以此为参照比较终结果。四种材料以PVC材料变化小，除颜色略有加深外，几乎无变化；其余的三组试样中，以2号试样变化小，1号试样次之、3号试样较显著。
3.1.2  介质外观的变化
    30%碱浓度的碱溶液表面有明显结晶出现，10%浓度的稍有结晶现象出现，1%浓度的无结晶现象，浸泡器皿底部偶见白色沉淀。
3.1.3  试样尺寸的变化
    以上4组试样在3种浓度和6个期龄下，试样尺寸在测量误差范围，均无变化。[-page-]
3.1.4  试样重量的变化
    按照国标GB11547-89及GB3857-87的要求，在规定的时间内测得不同期龄重量变化率(表1)。
    
    
    从表1可以看出，数据随浓度及期龄变化无规律，呈高散状态，且全部的失重百分比在0.5%以内，说明材料的渗透、析出无明显变化。横向比较4种试样失重率。可以看出1号试样变化幅度相对大，4号试样相对少。说明1号试样的渗透和析出现象较明显，而4号试样相对稳定(PVC)，因1号试样与3号试样树脂体系相同，铺层有别，可以得出3号试样结构较1号试样稳定，而2号试样树脂较好。[-page-]
3.1.5  试样硬度的变化
    因4号试样为PVC，其硬度暂不作为判断参加比较。按照国标GB3854-83要求，按不同期龄及碱浓度对1号、2号、3号试样巴氏硬度进行了测试，各组试样巴氏硬度变化率见图1、2、3。
    
    
    
    分析图1、2、3在不同浓度的碱溶液中，试样巴氏硬度 随期龄变化率数据的离散性与复合材料的性能及测量方法有关，就其微观表面而方，其为玻璃纤维与树脂的混合体，而玻璃纤维的硬度远远大于树脂的硬度，除非表面腐蚀达到相当程度，树脂流失，纤维有明显架空，其硬度变化方有体现。因此在材料表面光泽尚未损失情况下，硬度数据不足以体现目前材料性能细数的变化，说明腐蚀程度非常小。[-page-]
3.1.6  试样固化度的变化
    按照国标GB2576-89，对上述4组试样中，3种复合材料试件进行了固化度随浓度及期龄变化测试，试验结果见表2。
    
    由表2可以看出，即使在腐蚀溶液中，树脂体系的固化度随着期龄的增加而增加，而介质的浓度对固化度无明显影响，固化度是基体高分子材料交联程度的表征，从固化度可以看出，试样的基体材料在一年期龄的腐蚀状态下其交联结构未受到破坏。[-page-]
3.1.7  试样含胶量变化
    按照GB2571-89要求，对1、2、3号试样的含胶量随不同期龄及浓度进行了检测，具体数据见表3。
    
    试样数据中含胶量的变化呈无规律离散状态，且变化幅度在一定的范围内。说明树脂的溶解析出并不明显，材料的性质相对稳定，总体上看，1号试样树脂含量偏低，而3号试样偏高，3号试样居中，这是由于不同铺层造成的树脂含量差别。
3.1.8  试样弯曲强度的变化[-page-] 
    按照GB1449-83及GB1042-83规定，对上述3组复合材料及热塑性塑料PVC进行了弯曲强度随不同期龄及浓度的变化进行了测试。弯曲强度变化率如图4~6；
    
    
    
    通过4、5、6分析不同浓度的碱溶液浸泡，材料弯曲强度随期龄变化率实验看出数据离散大，但基本在30%以内变化，且正的强度变化率较多，而腐蚀作用的结果一般都是随期龄的增加而降低，这里也有固化度增高的复合效应，结合表现状态比较可得出以下结论：不同浓度碱溶液对4组材料的腐蚀，尚未导致材料力学性能的下降，数据的离散性恰恰说明了这一点，其原因主要是由于制作试样时试样中树脂含量不均造成局域差别和试样的测量误差。[-page-]
3.2  动态试验
    为模拟实际工况，我们用动态缩化试验罐进行了现场模拟实验，与静态试验的差别是在动态试验中加入了溶液搅拌对内壁的冲刷，以及由于内外壁压力不同产生的渗透压会加剧碱溶液对材料的腐蚀作用。因此在动态试验中我们更关心的是材料的状态和力学性能损失程度。
    从实际测试的结果来看，各罐的内壁颜色均有不同程度的加深，未出现裸纤，裂纹，鼓泡等腐蚀迹象，试验前后动态比模拟罐固化度及含胶量、弯曲强度等各项指标与静态相比，差别不大，同时与静态的结论基本吻合，均能满足实际动态工况要求。
3.3  测试数据总结
    以质量指数法来评判材料的耐腐蚀等级，该方法是一种比较直观、量化的评判方法。质量指数(QI)按以下公式进行计算：
    QI=(A+B+C+D)/4
    QI=9-10者，耐蚀性优
    QI=7-9者，耐蚀性良
    QI=5-7者，耐蚀性可以
    QI≤5者，为不耐蚀
    各组试样在不同浓度的碱溶液中的耐腐蚀质量指数见表4。
   
    结论：从表4可以看出各组试样的耐腐等级均在良以上，其中以4#全优为耐腐蚀性佳。
4  结 论
4.1  本文所选4种复合材料试样在碱溶液介质中的耐腐蚀质量指数在7.8~10之间，可以满足耐碱溶液腐蚀要求。
4.2  所选的试样中，2号试样和1、3号试样其原材料均为液体基体，其粘度为400-500mPa・s(25℃)和450±100mPa・s(25℃)适合树脂基复合材料的纤维缠绕工艺及内衬铺层操作，工艺性好，其中2号试样基体树脂价格比1号试样低15%左右；PVC材料耐碱溶液腐蚀性能好，但工艺性较差。
4.3  所选用的4组材料均有较好的力学性能(具体性能略)， 可以满足油田三元复合注采工艺的要求。