TRIZ理論在提高石油鉆井平臺(tái)涂料耐腐蝕性方面的應(yīng)用

王江紅，馮輝霞，譚琳，陳娜麗，趙丹，石露露，張皓翔

TRIZ理論在提高石油鉆井平臺(tái)涂料耐腐蝕性方面的應(yīng)用

王江紅，馮輝霞，譚琳*，陳娜麗，趙丹，石露露，張皓翔

（蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050）

提高石油鉆井平臺(tái)防腐涂料的耐腐蝕性，減少由于石油鉆井平臺(tái)防腐涂層失效造成的經(jīng)濟(jì)損失。本文以石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，并基于TRIZ理論（Teoriya Reshenivya Izobreatatelskikh Zadatch, TRIZ, 譯為發(fā)明問(wèn)題解決理論）中的功能分析、因果分析、裁剪、九屏幕法、物理矛盾等工具對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)中涂料的組成成分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文共得到了12個(gè)方案，通過(guò)初步分析選用了其中的5個(gè)方案構(gòu)成解決問(wèn)題的最優(yōu)方案：首先在聚氨酯面漆中加入共軛結(jié)構(gòu)的鄰羥基苯甲酸甲酯，同時(shí)加入對(duì)苯醌自由離子捕捉劑，捕捉二氧化鈦分子因吸收紫外線產(chǎn)生的自由基，防止面漆老化。此外還在面漆中加入OTS-SiO2超疏水材料，阻止微生物附著。然后將環(huán)氧樹(shù)脂中間漆中的不銹鋼鱗片由不導(dǎo)電的玻璃鱗片替換。最后在底漆中加入彈性材料（微米級(jí)橡膠粒子），改善涂層易剝落的問(wèn)題。該研究成果為提高防腐涂料的耐蝕性和環(huán)保性提供了參考。

TRIZ；石油鉆井平臺(tái)；涂料；耐腐蝕性；環(huán)保性

TRIZ的創(chuàng)始者是蘇聯(lián)發(fā)明家G. S. Altshuller，自1946年創(chuàng)立至今，這項(xiàng)源于大量發(fā)明專利分析而成的集成式理論，經(jīng)受住了長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證[1]。TRIZ理論的核心是為創(chuàng)新設(shè)計(jì)中存在的沖突提供解決辦法，研究者可通過(guò)技術(shù)矛盾矩陣，尋找出矛盾的最優(yōu)解決方案[2]。TRIZ理論的解題邏輯是通過(guò)分析項(xiàng)目目標(biāo)，確定待解決的問(wèn)題，并將其轉(zhuǎn)化或抽象為TRIZ理論模型，通過(guò)問(wèn)題轉(zhuǎn)換，研究者可以突破思維定式，從而得到創(chuàng)造性的解決方案，這也是TRIZ理論的優(yōu)勢(shì)所在[3]。TRIZ由39個(gè)通用工程參數(shù)和40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系組成[4]。在發(fā)展過(guò)程中，TRIZ逐步演變?yōu)橛梢惶滋幚砑夹g(shù)、工具、算法組合而成的發(fā)明問(wèn)題解決理論。

石油鉆井平臺(tái)是一種大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施，由于該設(shè)備長(zhǎng)期用于海上作業(yè)，高濕高鹽的海洋環(huán)境易對(duì)鋼材造成孔蝕[5]，并且海浪的沖蝕和海洋微生物的附著同樣對(duì)鋼材具有極大的侵蝕[6]。除此之外，大氣環(huán)境中的空氣與紫外線也會(huì)導(dǎo)致鋼材具有一定程度的損壞，嚴(yán)重威脅著鉆井平臺(tái)的正常安全生產(chǎn)。腐蝕不僅導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能下降或者破裂，還會(huì)導(dǎo)致海洋事故的發(fā)生[7]。海洋潮濕、堿性的環(huán)境特點(diǎn)，使得海洋作業(yè)設(shè)備的防腐工作面臨多重困難。目前，石油鉆井平臺(tái)最普遍的防腐方法是利用防腐涂料將船體表面和腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行隔離，從而起到保護(hù)作用[8]。

防腐涂層一般分為面漆、中間漆和底漆，不同的漆層對(duì)鋼材起到不同的防護(hù)作用。面漆一般起到隔離腐蝕介質(zhì)的作用，且與海洋環(huán)境直接接觸，因此面漆中原本常用的溶劑型涂料，逐漸被水性涂料替代[9]。從溶劑型涂料和水性涂料的環(huán)保性來(lái)看，水性涂料更為突出。水性涂料可有效減少有害物的產(chǎn)生，減少對(duì)海洋生物的危害，安全系數(shù)更高[10]。中間漆的防腐原理是通過(guò)片層材料阻擋腐蝕介質(zhì)滲入底漆或鋼材表面，實(shí)現(xiàn)阻擋作用。對(duì)于底漆，一般采用電化學(xué)反應(yīng)的方式，通過(guò)消耗在涂料中加入的鋅粉來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材的保護(hù)，但同時(shí)，高鋅粉含量會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害[11]。

目前，全世界生產(chǎn)的防腐涂料種類較多，包括環(huán)氧樹(shù)脂類、聚氨酯類、聚苯胺類、丙烯酸類等諸多有機(jī)涂料[12]。但防腐涂料大多存在防腐性能弱、有毒等缺點(diǎn)，使用范圍有限[13]。本文主要基于TRIZ理論對(duì)石油鉆井平臺(tái)的防腐涂料進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高涂層的耐腐蝕性能以及解決提高涂料耐蝕性能過(guò)程中進(jìn)一步引發(fā)的系統(tǒng)問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題描述

基于科學(xué)統(tǒng)計(jì)，每年由于石油鉆井平臺(tái)防腐涂層失效造成的損失可達(dá)一百多億元。石油鉆井平臺(tái)防腐涂料在實(shí)際生產(chǎn)中面臨以下問(wèn)題。問(wèn)題1：面漆形成過(guò)程中溶劑揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生一定的縫隙，會(huì)有少量的腐蝕介質(zhì)滲入中間漆；問(wèn)題2：紫外線照射可導(dǎo)致聚氨酯面漆老化；問(wèn)題3：底漆中的鋅粉在噴涂過(guò)程中易飛濺，大幅增加工人患“鋅熱病”的概率；問(wèn)題4：面漆中含有磷酸鉛，易毒害海洋生物；問(wèn)題5：驟冷驟熱環(huán)境中底漆涂層易脫落；問(wèn)題6：底漆電化學(xué)保護(hù)性能不足；問(wèn)題7：中間漆對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻隔作用不足。

1.2 技術(shù)系統(tǒng)分析

針對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，系統(tǒng)組件有環(huán)氧樹(shù)脂底漆、聚氨酯面漆、環(huán)氧樹(shù)脂中間漆、鋅粉、不銹鋼鱗片、磷酸鉛、交聯(lián)劑；超系統(tǒng)組件：鋼材、工人、微生物、紫外線和海洋生物。對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)的組件進(jìn)行兩兩分析，若組件之間存在相互接觸，則在單元表中用“＋”表示；若無(wú)則用“－”表示，以此來(lái)構(gòu)建相互作用關(guān)系矩陣，確定組件之間的作用關(guān)系（見(jiàn)表1）。

由表1可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂底漆與環(huán)氧樹(shù)脂中間漆、鋅粉、交聯(lián)劑、鋼材、腐蝕介質(zhì)、交聯(lián)劑之間有相互作用；環(huán)氧樹(shù)脂面漆與環(huán)氧樹(shù)脂中間漆、磷酸鉛、腐蝕介質(zhì)、海洋生物和微生物、紫外線有相互作用；環(huán)氧樹(shù)脂中間漆與不銹鋼鱗片、腐蝕介質(zhì)有相互作用；鋅粉與腐蝕介質(zhì)、工人有相互作用；不銹鋼鱗片與腐蝕介質(zhì)有相互作用；磷酸鉛與海洋生物、微生物有相互作用；交聯(lián)劑與鋼材有相互作用。

根據(jù)對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)的相互作用分析，得到石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)的功能模型，見(jiàn)圖1。

由圖1可知，石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)中，正常執(zhí)行的功能有10個(gè)，不足功能有2個(gè)，有害功能有3個(gè)。

在解決項(xiàng)目缺陷過(guò)程中，分析工具運(yùn)用的目的不是解決初始問(wèn)題，而是尋找造成問(wèn)題的一個(gè)或多個(gè)根本原因，并加以解決，這反過(guò)來(lái)又有助于實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。因此對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，借助因果鏈分析工具，找到項(xiàng)目缺陷的深層原因，即關(guān)鍵缺陷（如圖2所示）。

表1 石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)的相互作用分析

Tab.1 Interaction analysis of oil rig painting system

圖1 石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)功能模型

圖2 石油鉆井平臺(tái)防腐涂料耐蝕性弱的因果鏈分析

根據(jù)圖2可確定6個(gè)關(guān)鍵缺陷，消除這些缺陷即可消除因果鏈中的其他所有缺陷。

2 利用TRIZ工具解決問(wèn)題

2.1 利用TRIZ的裁剪工具

裁剪工具是將系統(tǒng)中無(wú)法正常工作或引起系統(tǒng)出現(xiàn)矛盾的組件進(jìn)行刪除或替換，該工具可保證消除該問(wèn)題組件所引起的問(wèn)題。相較于改進(jìn)前，裁剪過(guò)后的技術(shù)系統(tǒng)在保持原有技術(shù)系統(tǒng)功能的同時(shí)，可降低成本或消除有害功能?；诘?節(jié)中的功能分析結(jié)果，明確技術(shù)系統(tǒng)中各個(gè)組件所執(zhí)行的全部功能；通過(guò)功能分析，可明確哪些功能從已裁剪的組件中轉(zhuǎn)移到其他系統(tǒng)組件。

在現(xiàn)有的石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)中，由于中間漆中的不銹鋼鱗片具有導(dǎo)電性，使得腐蝕介質(zhì)到達(dá)中間漆時(shí)就與底漆中的鋅粉產(chǎn)生反應(yīng)，加速鋅粉的消耗，導(dǎo)致涂層防腐時(shí)效短。對(duì)此，根據(jù)中間漆的防腐原理提出方案1（見(jiàn)圖3）。

據(jù)圖3可知，裁剪中間漆中的不銹鋼鱗片，由不導(dǎo)電的玻璃鱗片替換不銹鋼鱗片，消除不銹鋼鱗片對(duì)鋅粉的有害功能。

2.2 利用TRIZ的資源分析

資源介于矛盾與最終理想解（IFR）之間，利用資源可以實(shí)現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)矛盾到消除矛盾獲得理想解的跨越，并可直接獲得解決系統(tǒng)矛盾的創(chuàng)意。為了提高中間漆的防腐性能，對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)進(jìn)行資源分析（見(jiàn)圖4）。

由圖4可知，依據(jù)子系統(tǒng)中阻隔性和中間漆內(nèi)部的2個(gè)資源，可直接得到方案2。具體的方案是提出一種硅樹(shù)脂涂料，相較于環(huán)氧樹(shù)脂，硅樹(shù)脂中Si原子相比C原子擁有更大的原子半徑，具有更好的阻隔性。另外，當(dāng)依據(jù)子系統(tǒng)中阻隔性、比表面積和中間漆內(nèi)部3個(gè)資源時(shí)，可再次得到提高中間漆防腐性能的第2個(gè)方案，得到方案3。具體的方案是在中間漆中加入比表面積最大的石墨烯材料，極少的添加量即可顯著增加涂層阻隔性。

圖3 不銹鋼鱗片裁剪方案

圖4 石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)資源分析

2.3 利用TRIZ的物-場(chǎng)模型

物場(chǎng)模型是一種利用圖形來(lái)表示由2個(gè)物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)組成的小技術(shù)系統(tǒng)中的功能，并揭示該技術(shù)系統(tǒng)中各元素之間存在的不足、有害及過(guò)度等相互關(guān)系。通過(guò)利用該模型，研究者可快速地找到解決實(shí)際問(wèn)題的方法。

2.3.1 解決中間漆環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)氫離子阻隔作用的不足

中間漆固化過(guò)程中由于溶劑揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生一定的縫隙，氫離子可溶解在水中并且因毛細(xì)作用可隨水一起滲入，腐蝕鋼材。針對(duì)中間漆對(duì)氫離子阻隔作用不足這一問(wèn)題構(gòu)建物場(chǎng)模型分析（見(jiàn)圖5a）。依據(jù)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)系統(tǒng)的合成，將物場(chǎng)系統(tǒng)中的一部分轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的物場(chǎng)系統(tǒng)，形成鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖5b）。

由圖5a可知，中間漆環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)氫離子阻隔作用不足。由圖5b可知，依據(jù)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)系統(tǒng)的合成，可得到方案4。具體方案是在中間漆中加入片層結(jié)構(gòu)蒙脫土，其晶片間存在吸附陽(yáng)離子的負(fù)電荷，提高涂層對(duì)氫離子的阻隔效果。

2.3.2 解決紫外線對(duì)聚氨酯面漆產(chǎn)生有害作用

紫外線的長(zhǎng)期輻射會(huì)導(dǎo)致聚合物出現(xiàn)降解，針對(duì)紫外線對(duì)聚氨酯面漆產(chǎn)生有害作用這一問(wèn)題構(gòu)建物場(chǎng)模型（見(jiàn)圖6a）。根據(jù)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.1——在S1和S2之間引入S3鄰羥基苯甲酸甲酯消除有害作用，得到方案5（見(jiàn)圖6b）。此外，也可根據(jù)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.1——在S1和S2之間引入S3消除有害作用，可在2個(gè)物質(zhì)之間引入物質(zhì)S3二氧化鈦以消除有害作用，得到方案6（見(jiàn)圖6c）。

由圖6a可知，紫外線對(duì)聚氨酯面漆產(chǎn)生有害作用。由圖6b可知，方案5的具體內(nèi)容是在聚氨酯面漆中加入共軛結(jié)構(gòu)的鄰羥基苯甲酸甲酯，該分子可有效吸收紫外線，將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芊懦?。由圖6c可知，方案6的具體內(nèi)容是在聚氨酯面漆中加入二氧化鈦。二氧化鈦納米粒子可吸收紫外線，產(chǎn)生電子躍遷效應(yīng)，將電磁能以熱能形式散溢。

2.4 利用TRIZ的技術(shù)矛盾

相較于功能分析、因果鏈分析這類發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的工具，技術(shù)矛盾為解決問(wèn)題的工具，在已發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵缺陷基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵問(wèn)題。該關(guān)鍵問(wèn)題在技術(shù)矛盾中表示為在解決系統(tǒng)問(wèn)題的一個(gè)參數(shù)過(guò)程中導(dǎo)致另一參數(shù)惡化的情況。

海洋環(huán)境中存在大量微生物，當(dāng)微生物附著在鉆井平臺(tái)設(shè)備表面上時(shí)，其產(chǎn)生的分泌物偏酸性，會(huì)導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)析氫腐蝕。針對(duì)如何減少微生物在金屬表面附著的問(wèn)題，在聚氨酯面漆中加入磷酸鉛，減少微生物附著。但缺點(diǎn)是鉛含毒性，會(huì)導(dǎo)致貝類生物出現(xiàn)軟殼。查找發(fā)生技術(shù)矛盾的參數(shù)可知，改善的參數(shù)是13（穩(wěn)定性）；惡化的參數(shù)是31（物體產(chǎn)生的有害因素）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理有：35（參數(shù)變化原理）、27（廉價(jià)替代品原理）、39（惰性環(huán)境原理）、40（復(fù)合材料原理）。應(yīng)用40（復(fù)合材料原理）提出方案7：在聚氨酯面漆中加入OTS-SiO2超疏水材料，使得水分無(wú)法在涂層表面停留，由此破壞微生物的生活環(huán)境，阻止微生物附著。

圖5 中間漆的問(wèn)題物-場(chǎng)模型與解決方案

其中，OTS-SiO2超疏水材料是一種基于有機(jī)硅化合物（OTS）和二氧化硅（SiO2）的復(fù)合材料，具有極高的疏水性能。OTS是一種長(zhǎng)鏈有機(jī)硅化合物，可以在表面形成致密的覆蓋層，而SiO2是一種無(wú)機(jī)材料，具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性[14]。通過(guò)制備OTS-SiO2超疏水材料，可以使表面形成類似荷葉效應(yīng)的特性，使水和其他液體在其表面形成球狀滴珠，從而實(shí)現(xiàn)超疏水性。目前OTS-SiO2在國(guó)內(nèi)已進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，代表性的企業(yè)有：濟(jì)南佳華化工科技有限公司、上海凱摯新材料科技有限公司和江蘇天行新材料有限公司等。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2010年至2021年我國(guó)OTS-SiO2超疏水材料的產(chǎn)能和產(chǎn)量呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，截至2021年，我國(guó)OTS-SiO2超疏水材料生產(chǎn)能力為17.88萬(wàn)t/a，占全球總產(chǎn)能的39.00%；產(chǎn)量約12.84萬(wàn)t，占全球產(chǎn)量的39.60%，工業(yè)級(jí)OTS-SiO2超疏水材料的價(jià)格低至100元/kg。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)部分生產(chǎn)企業(yè)不斷地提升產(chǎn)能和完善工藝技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)的OTS-SiO2超疏水材料產(chǎn)品質(zhì)量和供應(yīng)量已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)的水平。

為了進(jìn)行石油資源的進(jìn)一步勘探與開(kāi)發(fā)，石油鉆井平臺(tái)可能在極地等極端惡劣環(huán)境中使用。在驟冷驟熱環(huán)境中，防腐涂層會(huì)出現(xiàn)剝離脫落的現(xiàn)象。針對(duì)如何改善驟冷驟熱環(huán)境中涂層剝離的問(wèn)題，可在底漆中加入耐高低溫?zé)o機(jī)材料——堿金屬硅酸鹽。但該方案的缺點(diǎn)是由于涂層和鋼材膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致涂層的微觀孔隙增大，耐腐蝕性下降。查找發(fā)生技術(shù)矛盾的參數(shù)可知，改善的參數(shù)是13（物體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性），惡化的參數(shù)是35（適應(yīng)性、多用性）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理有：35（參數(shù)變化原理）、30（柔性殼體和薄膜原理）、34（拋棄與修復(fù)原理）、2（抽取原理）。應(yīng)用35（參數(shù)變化原理）提出方案8：在底漆中加入彈性材料（微米級(jí)橡膠粒子）[15]，彈性材料可發(fā)生形變，緩沖或抵消涂層與鋼材表面產(chǎn)生的切向應(yīng)力，改善涂層剝落問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，需要通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑對(duì)橡膠粒子進(jìn)行表面改性，可使得其與環(huán)氧樹(shù)脂底漆之間產(chǎn)生相容。常見(jiàn)的硅烷偶聯(lián)劑有：3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTS）[16]、3-氨丙基三甲氧基硅烷（AMPS）[17]、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（AMEOS）[18]。此外，通過(guò)對(duì)橡膠粒子進(jìn)行表面改性，也可提高鋼材與橡膠粒子之間的相互作用，但與鋼材產(chǎn)生接觸的主要為環(huán)氧樹(shù)脂底漆。

針對(duì)如何減少腐蝕介質(zhì)透過(guò)中間漆的問(wèn)題，可通過(guò)在中間漆中加入片層石墨烯的方法解決，但該方案的缺點(diǎn)是石墨烯可導(dǎo)電，會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕。查找發(fā)生技術(shù)矛盾的參數(shù)可知，改善的參數(shù)是6（靜止物體的面積），惡化的參數(shù)是23（物質(zhì)損失）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理有：10（預(yù)先作用原理）、14（曲面化原理）、18（機(jī)械振動(dòng)原理）、39（惰性環(huán)境原理）。應(yīng)用39（惰性環(huán)境原理）提出方案9：引入惰性材料片層云母氧化鐵α-Fe2O3代替氧化石墨烯[19]，在保證阻止腐蝕介質(zhì)滲透的基礎(chǔ)上，降低中間漆的導(dǎo)電性。

2.5 利用TRIZ的物理矛盾

物理矛盾指針對(duì)技術(shù)系統(tǒng)組件的某個(gè)參數(shù)，提出相對(duì)立的2個(gè)要求[20]。

1）時(shí)間分離。針對(duì)中間漆中石墨烯濃度這一參數(shù)，即需要中間漆中石墨烯的濃度高以實(shí)現(xiàn)阻隔作用，又需要中間漆中石墨烯的濃度低以滿足避免漆層導(dǎo)電的要求。應(yīng)用時(shí)間分離原理中的發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)化原理）得到方案10：將導(dǎo)電的石墨烯氧化，生成氧化石墨烯。氧化石墨烯在阻擋腐蝕介質(zhì)時(shí)，相較于石墨烯的阻隔性能不變，但在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，氧化石墨烯的電導(dǎo)率比石墨烯的電導(dǎo)率降低8個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）空間分離。針對(duì)底漆中鋅粉的濃度這一參數(shù)，即需要底漆中鋅粉的濃度高以滿足對(duì)鋼材提供電化學(xué)保護(hù)的要求，又需要底漆中鋅粉的濃度低以滿足減少工人患“鋅熱病”的概率的要求。應(yīng)用空間分離原理中的發(fā)明原理17（空間維數(shù)變化原理）得到方案11：將三維鋅粉制成二維片狀鋅粉。在相同防腐效果的情況下，底漆中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的片狀鋅粉可替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的球狀鋅粉，在保證相同電化學(xué)保護(hù)的前提下，減少鋅粉的濃度。

針對(duì)面漆中二氧化鈦濃度這一參數(shù)，即需要面漆中二氧化鈦濃度高以滿足吸收紫外線的要求，又需要面漆中二氧化鈦濃度低以避免吸收紫外線過(guò)程中產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致面漆聚氨酯老化。應(yīng)用空間分離原理中的發(fā)明原理24（中介物原理）得到方案12：在面漆中加入對(duì)苯醌自由離子捕捉劑，捕捉二氧化鈦分子由于吸收紫外線產(chǎn)生的自由基，避免聚氨酯受到自由基的影響，導(dǎo)致老化。

3 結(jié)果與討論

將上述技術(shù)方案進(jìn)行匯總分析，如表2所示。

表2 各方案分析評(píng)價(jià)

Tab.2 Analysis and evaluation of each scheme

由表2可知，利用TRIZ創(chuàng)新方法得到12個(gè)創(chuàng)新方案，選用方案1、5、7、8和方案12為解決問(wèn)題的最優(yōu)方案。首先在聚氨酯面漆中加入共軛結(jié)構(gòu)的鄰羥基苯甲酸甲酯，同時(shí)加入對(duì)苯醌自由離子捕捉劑，捕捉二氧化鈦分子因吸收紫外線產(chǎn)生的自由基，防止面漆老化。此外在面漆中加入OTS-SiO2超疏水材料，阻止微生物附著。然后將環(huán)氧樹(shù)脂中間漆中的不銹鋼鱗片替換成不導(dǎo)電的玻璃鱗片。最后在底漆中加入彈性材料（微米級(jí)橡膠粒子），改善涂層易剝落的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于TRIZ理論，對(duì)石油鉆井平臺(tái)漆裝系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析，建立了矛盾矩陣，并用典型的發(fā)明原理對(duì)防腐涂料成分進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案制備的防腐涂料，具有耐腐蝕性更強(qiáng)、成分更安全、時(shí)效性更長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可以為相關(guān)的海上作業(yè)設(shè)備防腐工程的建設(shè)提供參考。

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Application of TRIZ Theory to Improve the Corrosion Resistance of Oil Rig Coatings

WANG Jianghong, FENG Huixia, TAN Lin*, CHEN Nali, ZHAO Dan, SHI Lulu, ZHANG Haoxiang

(School of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

The work aims to improve the corrosion resistance of anti-corrosion coatings on oil rigs and reduce the economic losses due to the failure of anti-corrosion coatings on oil rigs. The painting system of oil rigs was taken as the research object and analyzed systematically. Based on the functional analysis, causal analysis, cutting, nine-screen method, physical contradiction and other methods in TRIZ theory (Teoriya Reshenivya Izobreatatelskikh Zadatch), the paint components in the oil rig painting system were designed in an innovative manner. A total of 12 schemes were obtained, and 5 of them were selected as the optimal scheme to solve the problem through preliminary analysis. Firstly, the conjugate structure of methyl O-hydroxybenzoate was added to the polyurethane topcoat, and the p-benzoquinone free ion trapping agent was added synchronously to capture the free radicals produced by titanium dioxide molecules due to the absorption of ultraviolet rays and prevent the topcoat from aging. In addition, OTS-SiO2 superhydrophobic material was added to the topcoat to prevent microbial attachment. Then, the stainless steel scales in the epoxy intermediate paint were replaced by non-conductive glass scales. Finally, the elastic material (micrometer rubber particles) was added to the primer to solve the problem of easy peeling of the coating. The research results provide a reference for improving the corrosion resistance and environmental protection of anti-corrosion coatings.

TRIZ; oil rig; paint; corrosion resistance; environmental protection

TQ637.4

A

1001-3563(2024)01-0299-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.035

2023-07-24

國(guó)家西部地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51063003）；國(guó)家西部地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21664009）；國(guó)家科技部2020年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)（SQ2020IM030400）