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保溫層下腐蝕及防腐對策分析

作者:廊坊森卓化工有限公司 來源:本站 發表時間:2018-08-10 08:31:03 查看:

在石化領域,保溫層下的腐蝕和防腐一直是學術研究的一個熱點,每年由于保溫層下的腐蝕造成的損失可達幾十億美元,這些損失包括設備損失,工廠的停工與檢修損失,還有后續的維修等,同時造成大量人生傷亡事故,近些年來各大石化廠商和油漆生產企業都加大了保溫層下防腐涂料研究的投入,以期找到解決保溫層下防腐的對策。

1 保溫層下的腐蝕機理

保溫層下的腐蝕(CUI)是指發生在施加了保溫層材料的管道或設備外表面上的一種腐蝕現象,根據設備材質的不同,CUI又分成兩種類型:發生在碳鋼材料上的腐蝕(主要表現為坑蝕或材料的腐蝕減薄);發生在不銹鋼材料上的腐蝕(主要表現為坑蝕或應力腐蝕開裂)。
我們知道,鋼結構的腐蝕速率與溫度、濕度等很多因素相關,溫度越高,腐蝕速度越快。但與此同時,腐蝕速率又與環境中的水分含量成正比,在高溫開放環境中,溫度的升高會導致周圍環境中水分含量的降低,從而能減緩腐蝕速率。但CUI的一個重要特點就是,外加的保溫層會造成一個高溫高濕的密閉環境,從而導致腐蝕的加劇。而且CUI的嚴重性在于無法及時發現,因為為了美觀效果,通常會在保溫層外包裹一層不銹鋼層或鋁層,這樣在腐蝕的初級階段,通常很難被觀察到,當保溫層下的腐蝕被發現時,通常已經是腐蝕很嚴重的時候,甚至已經發生安全事故。
保溫層所用的材料大多是無機物,其中含有大量的無機鹽,比如氯化物、氟化物、硫化物等,會造成鋼結構腐蝕;同時由于保溫材料通常為疏松多孔的結構,具有較大的比表面積,因而具有較強的吸水能力,一旦保溫層發生破損,保溫材料會迅速吸收周圍的水汽,造成一個高濕度的腐蝕環境,加速腐蝕的發生。同時,這些腐蝕雜質和保溫材料形成很強的電解質溶液,一旦這些溶液與金屬設備發生接觸,就可引發強烈的腐蝕反應。特別是對于石化行業而言,保溫層下的腐蝕還有其特殊性——由于石化行業涉及到很多不同工藝,因此在保溫層下的鋼結構往往還要經歷熱循環的過程。而對于傳統高溫涂料而言,由于熱膨脹系數與鋼鐵不同,經歷熱循環往往會導致涂層內應力的增加,最終造成涂層的早期失效。

2 保溫層下的防腐對策

研究了保溫層下腐蝕的發生機理后,我們再研究怎樣預防和減少這種腐蝕的發生。通常可以分成兩個方向:一是加強保溫層的保護,杜絕濕氣進入而造成的高溫高濕環境,包括盡量不要選用易吸收水分并易造成腐蝕性物質滯留的保溫材料,特別是那些具有空心結構特征和吸水性強的保溫材料,而要選用含水量小、干燥快的保溫材料,評價保溫材料的主要指標就是吸水性,保溫材料吸水后其導熱系數增大,同時會浸濕設備表面,引起設備表面腐蝕;二是涂覆防腐涂料,即在設備外壁(保溫層以下)涂覆一層具有良好附著力、機械性能和防腐蝕性能優異的涂料,保溫層下設備所處的環境決定了其對防腐涂層的特殊要求,既要保證涂層在高溫環境下能保持穩定,同時又能在低溫高濕的環境下對鋼結構提供防腐保護。

2.1 保溫層下防腐涂料研究現狀




三種類型的涂料在實踐中都得到了廣泛的應用,并且各涂料生產廠家都在不斷研發、改進其性能。如有的廠家針對浸泡級環氧酚醛涂料在膜厚控制不當時會在高溫下發生漆膜開裂的缺點,研發出了高膜厚、高固含量的產品,其膜厚范圍可控制在200~450μm,在此膜厚范圍內,既能保證防腐性能,又克服了環氧酚醛類涂料高溫開裂的弱點。但由于其樹脂類型的限制,最高耐受溫度仍<230℃。
此外其他一些涂層在保溫層防腐領域也得到了廣泛的應用,其中包括熱噴鋁和冷噴鋁等。
在高溫防腐領域,美國腐蝕工程師協會(NACE)發布的RP0198-2004國際標準是比較詳細和權威的。其中提出對于保溫層下的防腐,最有效的方法是涂覆防腐蝕涂料。過去,保溫層下應用較多的涂層包括厚漿型環氧鋁粉漆、浸泡級環氧酚醛涂料、無機硅酮鋁粉高溫漆。簡單類比如表1。
表1 3種典型的保溫層下的防腐涂料

2.2熱噴鋁涂層


國外在碳鋼表面噴涂約250μm的鋁涂層已經有30多年的歷史,并已被證明其在保溫層下有著優異的耐腐蝕效果。熱噴鋁在大氣環境中有著優異的防腐表現,最高可以耐受500℃的持續高溫,并可耐受冷熱循環等。但研究也發現,其在約80℃的鹽水溶液中卻極易對鋼結構造成嚴重的腐蝕,從而引起整個涂層的破壞。
對于保溫層下潮濕的碳鋼管道,鋁相對碳鋼來說是陽極,但在接近80℃的堿性環境中,這種相對性變得很小,大大降低了其陰極保護的效果。相反,對于屏障型涂層,即使含有鋁片顏料,但由于其不扮演犧牲陽極的角色,使其在高溫鹽水中的防腐表現反而更為優異。而且由于熱噴鋁表面疏松多孔的特性,極易在孔隙中形成鋁鹽溶液,因此還需要黏度較低的、可以在保溫層下耐受高溫和腐蝕的涂層提供封閉作用。這些都對熱噴鋁在保溫層下的發展和推廣提出了限制和要求。

2.3 冷噴鋁涂層


冷噴鋁是一種含鋁粉的鈦改性無機共聚物涂料,由于其克服了熱噴鋁在高溫鹽溶液中的防腐限制,同時又保持了前者的優異防腐性能,使其成為國內外研究的熱點,已有多家涂料企業提出了商業化的產品,并在實際應用中取得了良好的效果。
冷噴鋁涂料采用鈦改性無機共聚物作為主要成膜物質,并加入片狀金屬鋁顏料起到足夠的屏蔽保護作用所制得的雙組分耐高溫涂料在高溫情況下,尤其是熱循環乃至熱沖擊的工況條件下,表現出了優異的防腐性能。


圖1 實驗室高溫循環測試設備

圖2 涂層高溫循環測試結果
實驗結果顯示,熱噴鋁和冷噴鋁在保溫層下的表現要遠遠優于其他兩種常規高溫涂層。尤其是冷噴鋁涂層,其涂層開裂的溫度區間都在335~445℃,并且在開裂的地方沒有發現銹蝕,表明裂痕沒有到底材,循環測試后的附著力測試結果顯示也非常優異。


2.4 保溫層下涂層的實驗室測試


采用保溫層下循環測試的實驗方法,對用于保溫層下的涂料和冷噴鋁、熱噴鋁涂層(1#、2#:常規高溫涂層;TMIC:冷噴鋁;TSA:熱噴鋁)在高溫環境下的防腐性能進行了測試。
實驗將如圖1的管狀構件放在加熱器上,外面包裹保溫層,保溫層內注入1L1%的氯化鈉溶液,將保溫管在30min內升溫至450℃,8h后,移開保溫管,再注入1L1%的氯化鈉溶液,重復前面的實驗步驟。循環30次后,剝開保溫層,實驗結果如圖2所示
3 結語

在石化市場,保溫層下的鋼結構因為其惡劣的腐蝕環境,對防腐涂料的性能提出了極高的要求。根據最高耐受溫度的要求,有多種涂層產品可用于保溫層下高溫環境對鋼結構的防腐保護。由于常規涂層的性能所限,噴鋁,尤其是冷噴鋁涂層的應用成為研究的熱點,并取得了良好的效果。
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