摘要
近年来，增强热塑性塑料复合管因其优异的耐腐蚀、耐冲击、易弯曲、易铺设、质量轻、成本低等优势在地面油气集输领域得到了广泛使用。然而，随着服役时间的延长，越来越多的热塑性塑料内衬管出现了起泡失效现象，导致输送压力降低，给集输管线的安全运行带来极大隐患。为了降低热塑性塑料内衬管在油气输送过程中的失效风险，从根本上提出控制气体渗透的有效措施，必须了解油气环境下气体介质在热塑性塑料中的渗透特性并明确其渗透机理。分子模拟技术不仅可以从微观粒子层面阐明气体分子的渗透行为，还可以从微观角度直接观察气体吸附扩散的演变过程，确定其渗透机理。因此，本文基于油气集输工况环境，综合考虑气体渗透及液态石油溶胀作用，采用分子模拟法研究了不同温度和压力条件下单组分气体、混合气体以及油气耦合介质在聚偏氟乙烯（Poly(vinylidene fluoride)，PVDF）中的吸附、扩散等渗透行为及渗透机理。主要研究内容和结果如下： 采用分子模拟方法建立了CH4在PVDF中的吸附和扩散模型并进行了模拟计算，发现分子模拟结果与实验结果相吻合，误差较小，表明所建立的分子模型模拟精度较高，能够较好地模拟研究气体在PVDF中的渗透行为。 基于所建立的分子模型，研究了不同温度及压力下单组分CH4气体在PVDF中的渗透行为。发现单组分CH4气体在PVDF中的溶解系数随温度的升高而减小，随压力的增大而增大；扩散系数随温度和压力的升高而升高；渗透系数整体上随温度的升高而减小，随压力而增大。 在上述单组分气体模型的基础上建立了CH4/CO2二元混合气体介质及CH4/CO2/H2S三元混合气体介质的分子模型，进一步探究多组分气体在PVDF中的渗透行为及渗透过程中分子之间存在的竞争行为。研究发现，混合气体介质在PVDF中的溶解系数和扩散系数在不同温度和压力下的变化规律与单组分CH4基本相同。但是，混合气体介质下，气体分子在聚合物中的溶解-扩散行为会另一种气体的影响较大。吸附时气体分子之间具有竞争关系，混合的气体越多，溶解系数越小；扩散时各气体分子之间具有协同效应，混合的气体越多，扩散系数越大。其中，气体分子在PVDF中的溶解能力和渗透能力大小顺序为H2S＞CO2＞CH4，扩散能力大小顺序为CH4＞CO2＞H2S。 在三元混合介质模型的基础上加入原油分子建立油气耦合介质模型，研究确定油气耦合介质在PVDF中的渗透行为及原油组分对气体分子渗透行为的影响。发现油气耦合介质下气体渗透系数的变化规律与仅含气体介质的规律相同，但液相原油分子的溶胀作用会降低气体分子在PVDF中的溶解能力，提高气体分子在PVDF中的扩散能力和渗透能力。 对气体分子在各类介质中的渗透机理进行研究发现，气体分子在PVDF内的渗透机理与气体介质（单组分气体、混合组分气体、油气耦合介质）无关，均为：首先，气体分子在PVDF内有选择性地聚集吸附在模拟晶胞中的低势能区；然后，气体分子通过在小范围空穴内振动与大范围空穴间跳跃相结合的方式进行扩散，符合“空穴跳跃扩散理论”，即大部分情况下气体分子在PVDF内一个空穴中进行小幅振动，当温度或压力增大时出现较大范围的空穴间跃迁。
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