腐蝕環(huán)境下聚乙烯丙綸復(fù)合材料抗?jié)B性能退化研究

韓雷凱，薛 強(qiáng)，萬民科，陳 健

(1.西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院， 四川 成都 610500；2.西南油氣田分公司川西北氣礦， 四川 綿陽 621700)

油氣田鉆井過程產(chǎn)生的廢液廢渣具有強(qiáng)烈的腐蝕性，不可直接排放，因此要求油氣田鉆井開采之初，必須設(shè)置具備足夠的抗?jié)B能力以及腐蝕環(huán)境下長期服役的有效耐久性能的專門的導(dǎo)廢儲(chǔ)料結(jié)構(gòu)[1-2]。目前，國內(nèi)外鉆前工程積廢池的抗?jié)B耐久性能一般由自身結(jié)構(gòu)與其表覆防滲材料疊合來保障[3]。但長期腐蝕介質(zhì)侵蝕下，積廢池的抗?jié)B體系會(huì)出現(xiàn)不同程度的退化，尤其是防滲材料[4-5]，其抗?jié)B能力大多數(shù)在服役3 a～5 a后喪失殆盡，這對鉆前工程抗?jié)B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性造成了嚴(yán)重影響。

聚乙烯丙綸復(fù)合卷材由于具有柔度高、耐彎折、施工便捷、抗?jié)B透壓強(qiáng)以及成本廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于鉆前工程的防滲結(jié)構(gòu)體系中[6-9]。然而，大量工程實(shí)例表明，聚乙烯丙綸在腐蝕介質(zhì)長期作用下，會(huì)發(fā)生不同程度的老化，造成防滲性能降低，從而對防滲結(jié)構(gòu)的整體抗?jié)B能力造成影響[10]。相關(guān)研究表明[11-13]，防滲體系失效造成的環(huán)境污染問題危害巨大，不可忽視。但是目前針對鉆前工程防滲體系中聚乙烯丙綸復(fù)合卷材在腐蝕介質(zhì)侵蝕下的抗?jié)B性能退化研究還處于空白階段?；诖耍疚囊糟@前工程防滲結(jié)構(gòu)體系為研究對象，圍繞鉆前工程防滲卷材的耐久性問題，開展環(huán)境侵蝕后聚乙烯丙綸卷材抗?jié)B性能試驗(yàn)研究，分析其在腐蝕環(huán)境下抗?jié)B性能的變化規(guī)律，揭示其抗?jié)B性能退化機(jī)理，以期為油氣田開發(fā)領(lǐng)域防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件加工

實(shí)際工程中，防水卷材多以表鋪為主，考慮防水卷材搭接部位為整個(gè)卷材防水體系的薄弱區(qū)，本試驗(yàn)將著重考慮防水卷材的搭接部位在腐蝕環(huán)境作用下的抗?jié)B性能退化問題。因此，針對腐蝕試驗(yàn)的試件以搭接試件為主，搭接材料采用水泥膠粘結(jié)。按照《建筑防水卷材施工標(biāo)準(zhǔn)》[14]，聚乙烯丙綸復(fù)合卷材搭接長度為100 mm，試件詳細(xì)尺寸及實(shí)物示意見圖1、圖2。

圖1聚乙烯丙綸卷材水泥膠黏粘搭接試件

為分析搭接對試件在腐蝕環(huán)境下的抗?jié)B性能影響，本研究同樣設(shè)置了單片為搭接試件，其尺寸為200 mm×200 mm。所有試件均按照相同纖維方向剪裁制作。

圖2聚乙烯丙綸搭接試件加工示意圖

1.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)

采用YMX/Q-020型氣流式室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)箱開展人工模擬鉆前工程腐蝕環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)參考《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》[15](GB/T 10125—2012)相關(guān)規(guī)定設(shè)為：腐蝕噴液體為稀硝酸，體積濃度為15%，溶液NaCl 2.0 wt%，試驗(yàn)箱內(nèi)相對濕度 (70±10) %RH，腐蝕溶液初始溫度控制在(50±5)℃，腐蝕箱內(nèi)溫度設(shè)置為35℃。一個(gè)循環(huán)周期 60 min，其中浸潤時(shí)間 (12±1.5) min，加速腐蝕與常規(guī)腐蝕液侵蝕比約48 h∶1 a。為增加腐蝕效果的顯著性，參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對試件進(jìn)行疊合，腐蝕過程見圖3。

圖3聚乙烯丙綸復(fù)合卷材試件人工加速腐蝕試驗(yàn)

腐蝕齡期分別設(shè)置1 d、4 d、8 d、16 d、32 d，按照本課題設(shè)計(jì)腐蝕試驗(yàn)加速比例，以上五個(gè)齡期分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際服役年限0.5 a、2 a、4 a、8 a以及16 a。腐蝕前后試樣對比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，聚乙烯丙綸卷材試件腐蝕后，其表面宏觀紋理粗糙化，搭接區(qū)域出現(xiàn)大面積材料老化，粘結(jié)層發(fā)生剝蝕現(xiàn)象。另外，非搭接區(qū)域基底有機(jī)成分也發(fā)生不同程度溶解消蝕。由此可見，腐蝕環(huán)境對聚乙烯丙綸復(fù)合卷材的材性退化影響較大，尤其是搭接試件的粘結(jié)部位，材性退化十分顯著。

圖4單片及搭接試件腐蝕前后對比結(jié)果

1.3 滲透實(shí)驗(yàn)

本研究滲透試驗(yàn)在HP-40全自動(dòng)滲透儀上進(jìn)行，滲透壓按0.1 MPa梯度從0.1 MPa逐級提升至1.2 MPa，每個(gè)壓力梯度記錄液面水位值[16]。當(dāng)同批試件中2個(gè)以上端面由壓力水滲出時(shí)，記為該壓力梯度值下試件的滲透壓力值。同時(shí)，按液面差計(jì)算各梯度滲透率，計(jì)算方法如下所示：

(1)

式中:q為混凝土滲透速率，cm/s；V為相鄰梯度滲透壓下的液差體積，ml；S為混凝土滲透端表面積，mm2；t為該滲透壓梯度的施壓時(shí)間，s，本次測試施壓時(shí)間均為8 h。

不同腐蝕程度聚乙烯丙綸復(fù)合卷材滲透試驗(yàn)過程及試件漏點(diǎn)情況如圖5所示。

2 分析討論

通過對聚乙烯丙綸復(fù)合卷材試件腐蝕前后的滲透性能測試，獲得其在12個(gè)壓力梯度下的滲透速率如圖6所示。

由圖6(a)可見，當(dāng)單片試片經(jīng)過1個(gè)腐蝕齡期后，聚乙烯丙綸復(fù)合卷材單片試件的滲透現(xiàn)象出現(xiàn)在加壓過程后期。當(dāng)腐蝕齡期增加，單片試件抗?jié)B透能力呈逐漸退化趨勢；腐蝕時(shí)間達(dá)到第三齡期后，單片試片在高滲透壓水平下，其滲透速率呈增加趨勢。由此可見，不含搭接薄弱區(qū)段的同種材料單片，當(dāng)腐蝕齡期逐漸增加，材料抗?jié)B透能力隨之呈非線性降低，且腐蝕時(shí)間越長，降低幅度越大，但降低速率越小。

由圖6(b)可見，與單片試件相比，相同腐蝕齡期下，腐蝕環(huán)境對搭接試件抗?jié)B性能的影響要顯著得多。雖然聚乙烯丙綸復(fù)合卷材采用的搭接粘結(jié)膠在性能上經(jīng)過改良，含有抗腐蝕成分，但長期遭受酸鹽復(fù)合環(huán)境侵蝕，其抗?jié)B耐久性也會(huì)發(fā)生較明顯的退化。尤其是當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到第四齡期時(shí)，其在中高滲透壓條件下的滲透速率隨滲透壓呈指數(shù)形式上升，即此時(shí)試件表面已出現(xiàn)宏觀透水通道，且該通道會(huì)形成孔蝕涌道，水壓效應(yīng)累積至一定程度，損傷處發(fā)生穿孔貫通，發(fā)生大體積滲水。

圖5聚乙烯丙綸復(fù)合卷材試件滲透試驗(yàn)

圖6各腐蝕齡期聚乙烯丙綸復(fù)合卷材試片滲透試驗(yàn)結(jié)果

腐蝕前后單片試件的抗?jié)B等級分別如表1所示。

表1 聚乙烯丙綸復(fù)合卷材腐蝕前后單片試件滲透試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[17](GB 50108—2008)要求，鉆前工程常用池體規(guī)格以及相關(guān)環(huán)保要求，蓄污池類防水等級不應(yīng)低于P6，因此對于丙綸材料的搭接防滲體系，腐蝕環(huán)境下服役前三齡期(自然條件4 a)后，其抗?jié)B耐久性降低不滿足使用要求。

考慮單純面層防滲的局限性，實(shí)際工程中多結(jié)合水泥晶防水涂層作為高標(biāo)準(zhǔn)耐滲結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)措施?；诖耍疚脑谇拔脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對搭接試件下部增補(bǔ)水泥晶防水涂層。按照《防水混凝土工程細(xì)部防水施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》[18](GY 006—2010)相關(guān)要求，進(jìn)行試件表面處理和防水涂層涂刷。采用同種加速腐蝕試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，分析遭受腐蝕侵蝕后聚乙烯丙綸復(fù)合卷材經(jīng)水泥晶防水補(bǔ)強(qiáng)后的抗?jié)B提升能力。

補(bǔ)強(qiáng)后聚乙烯丙綸復(fù)合卷材搭接試件在不同靜水壓下的滲透速率如圖7所示。

由圖7可見，雙層搭接丙綸在下部涂刷水泥晶防水涂料后各滲透壓條件下的抗?jié)B能力明顯提升，對應(yīng)滲透速率明顯減小。當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到第一齡期后，試件表面才出現(xiàn)局部微觀損傷，導(dǎo)致微小滲漏現(xiàn)象，相比未涂刷水泥晶防水試件，該措施對腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)抗?jié)B耐久性有良好的提升作用。

圖7各齡期丙綸搭接底部刷水泥晶防水試片滲透

速率與滲透壓關(guān)系

結(jié)合《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[17](GB 50108—2008)要求，鉆前工程常用池體規(guī)格以及相關(guān)環(huán)保要求，蓄污池類防水等級不應(yīng)低于P6，采用水泥晶防水補(bǔ)強(qiáng)措施后，其抗?jié)B等級滿足規(guī)范要求。相比于未補(bǔ)強(qiáng)試件，其滲透率和滲透速率均下降了40%以上。

綜上所述，聚乙烯丙綸復(fù)合卷材單片試件的抗?jié)B性最好，模擬鉆前工程積廢結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境，其抗?jié)B耐久性均可達(dá)到服役要求標(biāo)準(zhǔn)；但在防滲卷材接縫處，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的搭接施工工法，其抗?jié)B耐久性不超過等效自然腐蝕4 a時(shí)間，與對應(yīng)使用功能要求不符；經(jīng)水泥晶防水層補(bǔ)強(qiáng)后，搭接部位抗?jié)B耐久性得到明顯提升，抗?jié)B耐久能力至少提高一個(gè)腐蝕齡期，達(dá)到了鉆前工程抗?jié)B結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境服役的抗?jié)B耐久性服役年限的要求。

3 結(jié) 論

本文針對鉆前工程防滲結(jié)構(gòu)體系在其服役環(huán)境中遭受腐蝕液、重油、高濃重金屬離子以及有機(jī)溶劑等環(huán)境侵蝕，利用室內(nèi)加速模擬腐蝕手段，對防滲聚乙烯丙綸卷材的單片試件、搭接試件以及搭接補(bǔ)強(qiáng)試件進(jìn)行加速腐蝕老化，獲得其不同腐蝕程度的老化試件。然后通過理論分析、試驗(yàn)研究以及兩者結(jié)合的方法，分析了其在不同腐蝕齡期下的抗?jié)B耐久性，以及抗?jié)B補(bǔ)強(qiáng)的有效性，主要研究結(jié)論如下：

(1) 強(qiáng)氧化腐蝕環(huán)境對聚乙烯丙綸復(fù)合卷材單片和搭接試件的抗?jié)B耐久性均有影響，隨著腐蝕齡期逐漸增加，各種試件抗?jié)B透能力呈非線性逐漸降低，下降速率逐漸減小。

(2) 搭接試件由于粘結(jié)構(gòu)造薄弱，腐蝕損傷累積至一定程度后(第四齡期)，其在中高滲透壓條件下的滲透速率隨滲透壓持續(xù)呈指數(shù)形式上升。

(3) 水泥晶防水補(bǔ)強(qiáng)措施對粘結(jié)構(gòu)造的抗?jié)B耐久性提升具有顯著作用。當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到第一齡期后，試件表面產(chǎn)生的局部微觀損傷，導(dǎo)致該部位微小滲透現(xiàn)象，相比未涂刷水泥晶防水試件，該措施有效提升了腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)防滲的耐久性能。

(4) 未經(jīng)水泥晶防水補(bǔ)強(qiáng)搭接試件，其抗?jié)B耐久性不滿足鉆前工程積廢池功能要求。經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后，其滲透速率和滲透速率均可下降40%以上，抗?jié)B等級得到明顯提升，滿足了鉆前工程抗?jié)B結(jié)構(gòu)功能要求。