保温层下腐蚀及防腐对策分析

时间:2015-05-19 19:41来源:阿克苏诺贝尔防护涂料（苏州）有 作者:丛海涛

0 引言

在石化领域，保温层下的腐蚀和防腐一直是学术研究的一个热点，每年由于保温层下的腐蚀造成的损失可达几十亿美元，这些损失包括设备损失，工厂的停工与检修损失，还有后续的维修等，同时造成大量人生伤亡事故，近些年来各大石化厂商和油漆生产企业都加大了保温层下防腐涂料研究的投入，以期找到解决保温层下防腐的对策。
 

1 保温层下的腐蚀机理

保温层下的腐蚀(CUI)是指发生在施加了保温层材料的管道或设备外表面上的一种腐蚀现象，根据设备材质的不同，CUI又分成两种类型：发生在碳钢材料上的腐蚀（主要表现为坑蚀或材料的腐蚀减薄）; 发生在不锈钢材料上的腐蚀（主要表现为坑蚀或应力腐蚀开裂）。我们知道，钢结构的腐蚀速率与温度、湿度等很多因素相关，温度越高，腐蚀速度越快。但与此同时，腐蚀速率又与环境中的水分含量成正比，在高温开放环境中，温度的升高会导致周围环境中水分含量的降低，从而能减缓腐蚀速率。但CUI 的一个重要特点就是，外加的保温层会造成一个高温高湿的密闭环境，从而导致腐蚀的加剧。而且CUI 的严重性在于无法及时发现，因为为了美观效果，通常会在保温层外包裹一层不锈钢层或铝层，这样在腐蚀的初级阶段，通常很难被观察到，当保温层下的腐蚀被发现时，通常已经是腐蚀很严重的时候，甚至已经发生安全事故。

保温层所用的材料大多是无机物，其中含有大量的无机盐, 比如氯化物、氟化物、硫化物等，会造成钢结构腐蚀；同时由于保温材料通常为疏松多孔的结构, 具有较大的比表面积, 因而具有较强的吸水能力，一旦保温层发生破损，保温材料会迅速吸收周围的水汽，造成一个高湿度的腐蚀环境，加速腐蚀的发生。同时，这些腐蚀杂质和保温材料形成很强的电解质溶液, 一旦这些溶液与金属设备发生接触，就可引发强烈的腐蚀反应。特别是对于石化行业而言，保温层下的腐蚀还有其特殊性——由于石化行业涉及到很多不同工艺，因此在保温层下的钢结构往往还要经历热循环的过程。而对于传统高温涂料而言，由于热膨胀系数与钢铁不同，经历热循环往往会导致涂层内应力的增加，最终造成涂层的早期失效。
 

2 保温层下的防腐对策

研究了保温层下腐蚀的发生机理后，我们再研究怎样预防和减少这种腐蚀的发生。通常可以分成两个方向：一是加强保温层的保护，杜绝湿气进入而造成的高温高湿环境，包括尽量不要选用易吸收水分并易造成腐蚀性物质滞留的保温材料，特别是那些具有空心结构特征和吸水性强的保温材料，而要选用含水量小、干燥快的保温材料，评价保温材料的主要指标就是吸水性，保温材料吸水后其导热系数增大, 同时会浸湿设备表面,引起设备表面腐蚀；二是涂覆防腐涂料，即在设备外壁（保温层以下）涂覆一层具有良好附着力、机械性能和防腐蚀性能优异的涂料，保温层下设备所处的环境决定了其对防腐涂层的特殊要求，既要保证涂层在高温环境下能保持稳定，同时又能在低温高湿的环境下对钢结构提供防腐保护。

2.1 保温层下防腐涂料研究现状

在高温防腐领域，美国腐蚀工程师协会（NACE）发布的RP0198-2004 国际标准是比较详细和权威的。其中提出对于保温层下的防腐，最有效的方法是涂覆防腐蚀涂料[5]。过去，保温层下应用较多的涂层包括厚浆型环氧铝粉漆、浸泡级环氧酚醛涂料、无机硅酮铝粉高温漆。简单类比如表1。

三种类型的涂料在实践中都得到了广泛的应用，并且各涂料生产厂家都在不断研发、改进其性能。如有的厂家针对浸泡级环氧酚醛涂料在膜厚控制不当时会在高温下发生漆膜开裂的缺点，研发出了高膜厚、高固含量的产品，其膜厚范围可控制在200～450 μm，在此膜厚范围内，既能保证防腐性能，又克服了环氧酚醛类涂料高温开裂的弱点。但由于其树脂类型的限制，最高耐受温度仍< 230 ℃。此外其他一些涂层在保温层防腐领域也得到了广泛的应用，其中包括热喷铝和冷喷铝等。

2.2 热喷铝涂层

国外在碳钢表面喷涂约250 μm的铝涂层已经有30 多年的历史，并已被证明其在保温层下有着优异的耐腐蚀效果。热喷铝在大气环境中有着优异的防腐表现，最高可以耐受500 ℃的持续高温，并可耐受冷热循环等。但研究也发现，其在约80 ℃的盐水溶液中却极易对钢结构造成严重的腐蚀，从而引起整个涂层的破坏。对于保温层下潮湿的碳钢管道，铝相对碳钢来说是阳极，但在接近80 ℃的碱性环境中，这种相对性变得很小，大大降低了其阴极保护的效果。相反，对于屏障型涂层，即使含有铝片颜料，但由于其不扮演牺牲阳极的角色，使其在高温盐水中的防腐表现反而更为优异。而且由于热喷铝表面疏松多孔的特性，极易在孔隙中形成铝盐溶液，因此还需要黏度较低的、可以在保温层下耐受高温和腐蚀的涂层提供封闭作用。这些都对热喷铝在保温层下的发展和推广提出了限制和要求。

2.3 冷喷铝涂层

冷喷铝是一种含铝粉的钛改性无机共聚物涂料，由于其克服了热喷铝在高温盐溶液中的防腐限制，同时又保持了前者的优异防腐性能，使其成为国内外研究的热点，已有多家涂料企业提出了商业化的产品，并在实际应用中取得了良好的效果。冷喷铝涂料采用钛改性无机共聚物作为主要成膜物质，并加入片状金属铝颜料起到足够的屏蔽保护作用所制得的双组分耐高温涂料在高温情况下，尤其是热循环乃至热冲击的工况条件下，表现出了优异的防腐性能。

2.4 保温层下涂层的实验室测试

采用保温层下循环测试的实验方法，对用于保温层下的涂料和冷喷铝、热喷铝涂层（1#、2#：常规高温涂层；TMIC: 冷喷铝；TSA：热喷铝）在高温环境下的防腐性能进行了测试。

实验将如图1 的管状构件放在加热器上，外面包裹保温层，保温层内注入1 L 1%的氯化钠溶液，将保温管在30 min 内升温至450 ℃，8 h 后，移开保温管，再注入1 L 1%的氯化钠溶液，重复前面的实验步骤。循环30次后，剥开保温层，实验结果如图2所示。

实验结果显示，热喷铝和冷喷铝在保温层下的表现要远远优于其他两种常规高温涂层。尤其是冷喷铝涂层，其涂层开裂的温度区间都在335～445 ℃，并且在开裂的地方没有发现锈蚀，表明裂痕没有到底材，循环测试后的附着力测试结果显示也非常优异。
 

3 结语

在石化市场，保温层下的钢结构因为其恶劣的腐蚀环境，对防腐涂料的性能提出了极高的要求。根据最高耐受温度的要求，有多种涂层产品可用于保温层下高温环境对钢结构的防腐保护。由于常规涂层的性能所限，喷铝，尤其是冷喷铝涂层的应用成为研究的热点，并取得了良好的效果。