TRIZ理論在提高石油鉆井平臺涂料耐腐蝕性方面的應用

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涂料耐腐蝕性方面的應用

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 石油化工學院，蘭州 730050）

提高石油鉆井平臺防腐涂料的耐腐蝕性，減少由于石油鉆井平臺防腐涂層失效造成的經濟損失。本文以石油鉆井平臺漆裝系統為研究對象對其進行系統分析，并基于TRIZ理論（Teoriya Reshenivya Izobreatatelskikh Zadatch, TRIZ, 譯為發明問題解決理論）中的功能分析、因果分析、裁剪、九屏幕法、物理矛盾等工具對石油鉆井平臺漆裝系統中涂料的組成成分進行創新設計。本文共得到了12個方案，通過初步分析選用了其中的5個方案構成解決問題的最優方案：首先在聚氨酯面漆中加入共軛結構的鄰羥基苯甲酸甲酯，同時加入對苯醌自由離子捕捉劑，捕捉二氧化鈦分子因吸收紫外線產生的自由基，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。然后將環氧樹脂中間漆中的不銹鋼鱗片由不導電的玻璃鱗片替換。最后在底漆中加入彈性材料（微米級橡膠粒子），改善涂層易剝落的問題。該研究成果為提高防腐涂料的耐蝕性和環保性提供了參考。

TRIZ；石油鉆井平臺；涂料；耐腐蝕性；環保性

TRIZ的創始者是蘇聯發明家G. S. Altshuller，自1946年創立至今，這項源于大量發明專利分析而成的集成式理論，經受住了長期的生產實踐的驗證[1]。TRIZ理論的核心是為創新設計中存在的沖突提供解決辦法，研究者可通過技術矛盾矩陣，尋找出矛盾的最優解決方案[2]。TRIZ理論的解題邏輯是通過分析項目目標，確定待解決的問題，并將其轉化或抽象為TRIZ理論模型，通過問題轉換，研究者可以突破思維定式，從而得到創造性的解決方案，這也是TRIZ理論的優勢所在[3]。TRIZ由39個通用工程參數和40個發明創造原理及它們之間的對應關系組成[4]。在發展過程中，TRIZ逐步演變為由一套處理技術、工具、算法組合而成的發明問題解決理論。

石油鉆井平臺是一種大型鋼結構設施，由于該設備長期用于海上作業，高濕高鹽的海洋環境易對鋼材造成孔蝕[5]，并且海浪的沖蝕和海洋微生物的附著同樣對鋼材具有極大的侵蝕[6]。除此之外，大氣環境中的空氣與紫外線也會導致鋼材具有一定程度的損壞，嚴重威脅著鉆井平臺的正常安全生產。腐蝕不僅導致鋼材力學性能下降或者破裂，還會導致海洋事故的發生[7]。海洋潮濕、堿性的環境特點，使得海洋作業設備的防腐工作面臨多重困難。目前，石油鉆井平臺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進行隔離，從而起到保護作用[8]。

防腐涂層一般分為面漆、中間漆和底漆，不同的漆層對鋼材起到不同的防護作用。面漆一般起到隔離腐蝕介質的作用，且與海洋環境直接接觸，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保性來看，水性涂料更為突出。水性涂料可有效減少有害物的產生，減少對海洋生物的危害，安全系數更高[10]。中間漆的防腐原理是通過片層材料阻擋腐蝕介質滲入底漆或鋼材表面，實現阻擋作用。對于底漆，一般采用電化學反應的方式，通過消耗在涂料中加入的鋅粉來實現對鋼材的保護，但同時，高鋅粉含量會對人體產生危害[11]。

目前，全世界生產的防腐涂料種類較多，包括環氧樹脂類、聚氨酯類、聚苯胺類、丙烯酸類等諸多有機涂料[12]。但防腐涂料大多存在防腐性能弱、有毒等缺點，使用范圍有限[13]。本文主要基于TRIZ理論對石油鉆井平臺的防腐涂料進行創新設計，提高涂層的耐腐蝕性能以及解決提高涂料耐蝕性能過程中進一步引發的系統問題。

1 問題分析

1.1 問題描述

基于科學統計，每年由于石油鉆井平臺防腐涂層失效造成的損失可達一百多億元。石油鉆井平臺防腐涂料在實際生產中面臨以下問題。問題1：面漆形成過程中溶劑揮發會產生一定的縫隙，會有少量的腐蝕介質滲入中間漆；問題2：紫外線照射可導致聚氨酯面漆老化；問題3：底漆中的鋅粉在噴涂過程中易飛濺，大幅增加工人患“鋅熱病”的概率；問題4：面漆中含有磷酸鉛，易毒害海洋生物；問題5：驟冷驟熱環境中底漆涂層易脫落；問題6：底漆電化學保護性能不足；問題7：中間漆對腐蝕介質的阻隔作用不足。

1.2 技術系統分析

針對石油鉆井平臺漆裝系統進行功能分析，系統組件有環氧樹脂底漆、聚氨酯面漆、環氧樹脂中間漆、鋅粉、不銹鋼鱗片、磷酸鉛、交聯劑；超系統組件：鋼材、工人、微生物、紫外線和海洋生物。對石油鉆井平臺漆裝系統的組件進行兩兩分析，若組件之間存在相互接觸，則在單元表中用“＋”表示；若無則用“－”表示，以此來構建相互作用關系矩陣，確定組件之間的作用關系（見表1）。

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

根據對石油鉆井平臺漆裝系統的相互作用分析，得到石油鉆井平臺漆裝系統的功能模型，見圖1。

由圖1可知，石油鉆井平臺漆裝系統中，正常執行的功能有10個，不足功能有2個，有害功能有3個。

在解決項目缺陷過程中，分析工具運用的目的不是解決初始問題，而是尋找造成問題的一個或多個根本原因，并加以解決，這反過來又有助于實現最終目標。因此對技術系統進行因果鏈分析，借助因果鏈分析工具，找到項目缺陷的深層原因，即關鍵缺陷（如圖2所示）。

表1 石油鉆井平臺漆裝系統的相互作用分析

Tab.1 Interaction analysis of oil rig painting system

圖1 石油鉆井平臺漆裝系統功能模型

圖2 石油鉆井平臺防腐涂料耐蝕性弱的因果鏈分析

根據圖2可確定6個關鍵缺陷，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工具解決問題

2.1 利用TRIZ的裁剪工具

裁剪工具是將系統中無法正常工作或引起系統出現矛盾的組件進行刪除或替換，該工具可保證消除該問題組件所引起的問題。相較于改進前，裁剪過后的技術系統在保持原有技術系統功能的同時，可降低成本或消除有害功能。基于第1節中的功能分析結果，明確技術系統中各個組件所執行的全部功能；通過功能分析，可明確哪些功能從已裁剪的組件中轉移到其他系統組件。

在現有的石油鉆井平臺漆裝系統中，由于中間漆中的不銹鋼鱗片具有導電性，使得腐蝕介質到達中間漆時就與底漆中的鋅粉產生反應，加速鋅粉的消耗，導致涂層防腐時效短。對此，根據中間漆的防腐原理提出方案1（見圖3）。

據圖3可知，裁剪中間漆中的不銹鋼鱗片，由不導電的玻璃鱗片替換不銹鋼鱗片，消除不銹鋼鱗片對鋅粉的有害功能。

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，利用資源可以實現從發現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矛盾的創意。為了提高中間漆的防腐性能，對石油鉆井平臺漆裝系統進行資源分析（見圖4）。

由圖4可知，依據子系統中阻隔性和中間漆內部的2個資源，可直接得到方案2。具體的方案是提出一種硅樹脂涂料，相較于環氧樹脂，硅樹脂中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，當依據子系統中阻隔性、比表面積和中間漆內部3個資源時，可再次得到提高中間漆防腐性能的第2個方案，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 石油鉆井平臺漆裝系統資源分析

2.3 利用TRIZ的物-場模型

物場模型是一種利用圖形來表示由2個物質和一個場組成的小技術系統中的功能，并揭示該技術系統中各元素之間存在的不足、有害及過度等相互關系。通過利用該模型，研究者可快速地找到解決實際問題的方法。

2.3.1 解決中間漆環氧樹脂對氫離子阻隔作用的不足

中間漆固化過程中由于溶劑揮發會產生一定的縫隙，氫離子可溶解在水中并且因毛細作用可隨水一起滲入，腐蝕鋼材。針對中間漆對氫離子阻隔作用不足這一問題構建物場模型分析（見圖5a）。依據TRIZ標準解S2.1.1-鏈式物場系統的合成，將物場系統中的一部分轉化為獨立的物場系統，形成鏈式物場系統（見圖5b）。

由圖5a可知，中間漆環氧樹脂對氫離子阻隔作用不足。由圖5b可知，依據TRIZ標準解S2.1.1-鏈式物場系統的合成，可得到方案4。具體方案是在中間漆中加入片層結構蒙脫土，其晶片間存在吸附陽離子的負電荷，提高涂層對氫離子的阻隔效果。

2.3.2 解決紫外線對聚氨酯面漆產生有害作用

紫外線的長期輻射會導致聚合物出現降解，針對紫外線對聚氨酯面漆產生有害作用這一問題構建物場模型（見圖6a）。根據TRIZ標準解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（見圖6b）。此外，也可根據TRIZ標準解S1.2.1——在S1和S2之間引入S3消除有害作用，可在2個物質之間引入物質S3二氧化鈦以消除有害作用，得到方案6（見圖6c）。

由圖6a可知，紫外線對聚氨酯面漆產生有害作用。由圖6b可知，方案5的具體內容是在聚氨酯面漆中加入共軛結構的鄰羥基苯甲酸甲酯，該分子可有效吸收紫外線，將電磁能轉變為熱能放出。由圖6c可知，方案6的具體內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，產生電子躍遷效應，將電磁能以熱能形式散溢。

2.4 利用TRIZ的技術矛盾

相較于功能分析、因果鏈分析這類發現問題的工具，技術矛盾為解決問題的工具，在已發現的關鍵缺陷基礎上，將其轉化為關鍵問題。該關鍵問題在技術矛盾中表示為在解決系統問題的一個參數過程中導致另一參數惡化的情況。

海洋環境中存在大量微生物，當微生物附著在鉆井平臺設備表面上時，其產生的分泌物偏酸性，會導致鋼材出現析氫腐蝕。針對如何減少微生物在金屬表面附著的問題，在聚氨酯面漆中加入磷酸鉛，減少微生物附著。但缺點是鉛含毒性，會導致貝類生物出現軟殼。查找發生技術矛盾的參數可知，改善的參數是13（穩定性）；惡化的參數是31（物體產生的有害因素）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理有：35（參數變化原理）、27（廉價替代品原理）、39（惰性環境原理）、40（復合材料原理）。應用40（復合材料原理）提出方案7：在聚氨酯面漆中加入OTS-SiO2超疏水材料，使得水分無法在涂層表面停留，由此破壞微生物的生活環境，阻止微生物附著。

圖5 中間漆的問題物-場模型與解決方案

其中，OTS-SiO2超疏水材料是一種基于有機硅化合物（OTS）和二氧化硅（SiO2）的復合材料，具有極高的疏水性能。OTS是一種長鏈有機硅化合物，可以在表面形成致密的覆蓋層，而SiO2是一種無機材料，具有良好的耐熱性和化學穩定性[14]。通過制備OTS-SiO2超疏水材料，可以使表面形成類似荷葉效應的特性，使水和其他液體在其表面形成球狀滴珠，從而實現超疏水性。目前OTS-SiO2在國內已進行大規模生產與應用，代表性的企業有：濟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。相關數據顯示，2010年至2021年我國OTS-SiO2超疏水材料的產能和產量呈穩定上升趨勢，截至2021年，我國OTS-SiO2超疏水材料生產能力為17.88萬t/a，占全球總產能的39.00%；產量約12.84萬t，占全球產量的39.60%，工業級OTS-SiO2超疏水材料的價格低至100元/kg。同時，隨著國內部分生產企業不斷地提升產能和完善工藝技術，國內企業的OTS-SiO2超疏水材料產品質量和供應量已經達到或接近國外生產企業的水平。

為了進行石油資源的進一步勘探與開發，石油鉆井平臺可能在極地等極端惡劣環境中使用。在驟冷驟熱環境中，防腐涂層會出現剝離脫落的現象。針對如何改善驟冷驟熱環境中涂層剝離的問題，可在底漆中加入耐高低溫無機材料——堿金屬硅酸鹽。但該方案的缺點是由于涂層和鋼材膨脹系數不同導致涂層的微觀孔隙增大，耐腐蝕性下降。查找發生技術矛盾的參數可知，改善的參數是13（物體結構的穩定性），惡化的參數是35（適應性、多用性）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理有：35（參數變化原理）、30（柔性殼體和薄膜原理）、34（拋棄與修復原理）、2（抽取原理）。應用35（參數變化原理）提出方案8：在底漆中加入彈性材料（微米級橡膠粒子）[15]，彈性材料可發生形變，緩沖或抵消涂層與鋼材表面產生的切向應力，改善涂層剝落問題。一般來說，需要通過硅烷偶聯劑對橡膠粒子進行表面改性，可使得其與環氧樹脂底漆之間產生相容。常見的硅烷偶聯劑有：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，通過對橡膠粒子進行表面改性，也可提高鋼材與橡膠粒子之間的相互作用，但與鋼材產生接觸的主要為環氧樹脂底漆。

針對如何減少腐蝕介質透過中間漆的問題，可通過在中間漆中加入片層石墨烯的方法解決，但該方案的缺點是石墨烯可導電，會產生電偶腐蝕。查找發生技術矛盾的參數可知，改善的參數是6（靜止物體的面積），惡化的參數是23（物質損失）。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理有：10（預先作用原理）、14（曲面化原理）、18（機械振動原理）、39（惰性環境原理）。應用39（惰性環境原理）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滲透的基礎上，降低中間漆的導電性。

2.5 利用TRIZ的物理矛盾

物理矛盾指針對技術系統組件的某個參數，提出相對立的2個要求[20]。

1）時間分離。針對中間漆中石墨烯濃度這一參數，即需要中間漆中石墨烯的濃度高以實現阻隔作用，又需要中間漆中石墨烯的濃度低以滿足避免漆層導電的要求。應用時間分離原理中的發明原理15（動態化原理）得到方案10：將導電的石墨烯氧化，生成氧化石墨烯。氧化石墨烯在阻擋腐蝕介質時，相較于石墨烯的阻隔性能不變，但在發生電化學反應時，氧化石墨烯的電導率比石墨烯的電導率降低8個數量級。

2）空間分離。針對底漆中鋅粉的濃度這一參數，即需要底漆中鋅粉的濃度高以滿足對鋼材提供電化學保護的要求，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。應用空間分離原理中的發明原理17（空間維數變化原理）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，底漆中質量分數為35%的片狀鋅粉可替代質量分數為60%的球狀鋅粉，在保證相同電化學保護的前提下，減少鋅粉的濃度。

針對面漆中二氧化鈦濃度這一參數，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程中產生自由基，導致面漆聚氨酯老化。應用空間分離原理中的發明原理24（中介物原理）得到方案12：在面漆中加入對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生的自由基，避免聚氨酯受到自由基的影響，導致老化。

3 結果與討論

將上述技術方案進行匯總分析，如表2所示。

表2 各方案分析評價

Tab.2 Analysis and evaluation of each scheme

由表2可知，利用TRIZ創新方法得到12個創新方案，選用方案1、5、7、8和方案12為解決問題的最優方案。首先在聚氨酯面漆中加入共軛結構的鄰羥基苯甲酸甲酯，同時加入對苯醌自由離子捕捉劑，捕捉二氧化鈦分子因吸收紫外線產生的自由基，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。然后將環氧樹脂中間漆中的不銹鋼鱗片替換成不導電的玻璃鱗片。最后在底漆中加入彈性材料（微米級橡膠粒子），改善涂層易剝落的問題。

4 結語

本文基于TRIZ理論，對石油鉆井平臺漆裝系統進行了功能分析，建立了矛盾矩陣，并用典型的發明原理對防腐涂料成分進行了創新設計。根據創新設計方案制備的防腐涂料，具有耐腐蝕性更強、成分更安全、時效性更長的優點，可以為相關的海上作業設備防腐工程的建設提供參考。

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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

國家西部地區自然科學基金項目（51063003）；國家西部地區自然科學基金項目（21664009）；國家科技部2020年重點研發計劃創新方法工作專項（SQ2020IM030400）