[0001] 本发明涉及静电摩擦领域，尤其是涉及一种基于摩擦纳米发电的防腐管道及其制备方法。

[0002] 摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogeneration,TENG)能够有效地收集低频率的机械能并将其转化为电能，具有制造简单、成本低、选材多样等特点，一经问世便引起了全世界关注。TENG由王中林团队于2012年首次发明，是一种基于界面摩擦起电与静电感应耦合效应的新能源技术。

[0003] 腐蚀是指在介质作用下产生损耗与破坏的过程，是工程领域共同面临的难题，成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一。据统计，我国每年因腐蚀而造成的损失约占当年GDP的3.34％，总额超过2万1千亿人民币。其中，埋地油气管道的腐蚀更是造成各类损失和灾害的主要对象。在油气的长距离管道输送过程中，根据腐蚀类型可以分为内腐蚀和外腐蚀。内腐蚀是由于管道内油气中常常掺杂有硫化氢、二氧化碳、氯离子、硫单质等，这些物质极易对金属造生点蚀。外腐蚀是由于管道铺设于地下，外表面被深层土壤覆盖，土壤中含有水、杂散电流和各种盐，并且内部有微生物及细菌，这些导致油气管道发生化学腐蚀和电化学腐蚀。目前，常用的防腐措施包括缓蚀剂技术、防腐涂层技术、补口技术、复合管技术和阴极保护法。其中，阴极保护法已成为一项被广泛应用的油气管道保护技术，根据供电方式的不同又可分为外加电源法和牺牲阳极法，二者防腐机理都是通过提高管道金属电位以减少电化学反应的发生。外加电源法需要在防腐过程中通过外接电源持续不断的向被保护金属提供电荷，而牺牲阳极法需定期更换阳极材料，二者都为企业带来了巨大的经济压力。

[0004] 2013年，王中林团队首次提出了将TENG应用于自供电防腐领域的设想。TENG作为利用可再生能源发电的电源，在将机械能转化的电能进一步管理、输出的过程中会造成大量电能损耗，但由于输出的电信号具有高压低流的特点，只能供给微型用电器使用，大大限制了其应用。而阴极保护法仅需提高电位即可实现防护，若能将TENG产生的直流电用于电化学防腐体系，TENG从环境中收集机械能转变为电能，在此过程中无需外部电源的介入，因此可称为自供能的阴极保护防腐系统。将TENG用于金属管道的防腐时，管道内的流体与介电层摩擦产生电势，利用此电势与管道构成阴极保护系统。

[0005] 直接利用环境中的液体组成固‑液型摩擦纳米发电机时，由于液体介质中常常存在大量离子，而作为电极的固体表面具有较高的静电电压，会产生静电吸附效应，降低了输出效率。

[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0041] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

[0042] 实施例1

[0043] 上海南部某长距离输油钢材管道长10km，管道内壁直径1220mm，采用下埋的方式安置。因输送的石油产品中含有较多腐蚀性介质(如硫化氢、硫醇、氯离子、氮离子等)，易产生点蚀。

[0044] 本实施例提供一种基于摩擦纳米发电的防腐管道的制备方法，适用于长距离油气管道的长期防腐，具体步骤如下：

[0045] S1、制备高分子薄膜3：

[0046] 制备厚度为0.5cm，宽度为10cm的单条PTFE薄膜。

[0047] S2、将单条PTFE薄膜以螺旋管状的方式粘贴于管道本体1内壁，螺距为1m；

[0048] S3、在PTFE薄膜与管道本体1剖面的横纵轴相交的PTFE薄膜上粘接外径5mm、高10mm的0.99mm尖头铜针，PTFE薄膜作为单电极摩擦纳米发电机与管道本体1构成阴极保护系统。

[0049] 当石油产品开始输送时，油气流体4与PTFE薄膜摩擦产生的机械能转化为电能，使PTFE薄膜表面积蓄电子，通过铜针2的尖端放电击穿静电屏蔽，使管道本体1产生感应电荷。因此，管道本体1处于负电位，产生阴极极化，抑制电子的迁移，有效减缓了金属管道的腐蚀。对基于摩擦纳米发电的防腐管道(加装s‑CPS的管道)在服役前和服役90天后分别进行原位取样，样品尺寸约为1.5*2.5cm。

[0050] 表1失重数据

[0051]

[0052] 如图3和图4所示，加装s‑CPS的管道运行的90天内，与同等工况下无单电极摩擦纳米发电的管道(无s‑CPS的管道)进行对比，无s‑CPS的管道表面覆盖了大量的锈斑和点蚀痕迹，管道钢材受到严重腐蚀，而基于摩擦纳米发电的防腐管道(加装s‑CPS的管道)只有少量锈斑或点蚀痕迹。

[0053] 因此，基于摩擦纳米发电的防腐管道构建了一种利用阴极保护的自供能防腐系统，当有石油产品流入时自动运行，实现了长期对长距离输油管道的表面防腐，相较传统的涂层防护方法起到了降低成本、环保高效的效果。

[0054] 实施例2

[0055] 海底阀等异形件因其形状不规则，表面处理难以达到要求，传统的涂层防护在施工过程中易产生流挂、漏涂等现象，其局部区域或者边缘区域的涂层易产生鼓泡、剥离现象，且在使用完毕后，表面涂层和锈层难以清除，维护成本高。

[0056] 本实施例提供了一种基于摩擦纳米发电的防腐管道的制备方法，适用于舟山海域某腐蚀严重的海洋工程阀门的腐蚀防护，具体步骤如下：

[0057] S1、制备高分子薄膜3：

[0058] 考虑该圆形通孔缩径阀DN 400(NPS16)×DN 300(NPS12)的尺寸，将PVDF薄膜裁剪为厚度为3mm，宽度为20mm的单条PVDF薄膜。

[0059] S2、在DN 400(NPS16)的管道本体1内单条PVDF薄膜以螺距50mm的螺旋线轨迹粘贴于阀门内壁，在DN 300(NPS12)的管道本体1内单条PVDF薄膜以螺距45mm的螺旋线轨迹粘贴于阀门内壁。

[0060] S3、在PVDF薄膜与管道本体1剖面的横纵轴相交的PVDF薄膜上粘接外径5mm、高10mm的0.99mm尖头铜针，PVDF薄膜作为单电极摩擦纳米发电机与管道本体1构成阴极保护系统。

[0061] 基于摩擦纳米发电的防腐管道运行一年后，该阀门及阀门两侧无明显腐蚀发生，薄膜无明显损耗。

[0062] 上述实施例中的PVDF薄膜可在阀门使用完毕后进行回收并再次加工。该系统所需的条形高分子薄膜可根据防腐区域的需求而自由设计尺寸和粘贴方式，广泛适用于变尺寸、变结构、变材质、变腐蚀程度的异形金属件，展现了可动态调整防腐效果、利用率高、装卸简便的优点。

[0063] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。