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李曉煒¹，于慧文¹，段永鋒¹，方瑤婧²，駱惠²，張雷³

（1. 中石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003；

2. 佐敦涂料（張家港）有限公司，江蘇 蘇州 215000；

3. 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇 常州 213016。）

摘要：在實(shí)驗(yàn)室模擬保溫層下腐蝕環(huán)境，針對不同的配套涂層體系開展了橫置式方管和豎立式圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，篩選了不同涂層的耐保溫層下腐蝕性能，并對方管和圓管試驗(yàn)評價方法進(jìn)行了對比和分析。結(jié)果表明，普通環(huán)氧酚醛漆、玻璃鱗片增強(qiáng)環(huán)氧酚醛漆以及惰性無機(jī)共聚物漆具備良好的耐保溫層下腐蝕性能，含有機(jī)硅鋁粉的涂層體系由于較薄的干膜厚度未通過測試。此外，相比于圓管試驗(yàn)，方管試驗(yàn)的試驗(yàn)條件更為苛刻，對不同涂層的篩選性更佳。

關(guān)鍵詞：保溫層下腐蝕；方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)；圓管試驗(yàn)；涂層體系。

前 言

為最大程度減少熱量損失、保證工藝溫度以及避免人身傷害，煉化企業(yè)往往對設(shè)備及管道實(shí)施保溫結(jié)構(gòu)。保溫層下腐蝕（CUI，corrosion under insulation）是指由于水分的進(jìn)入，導(dǎo)致保溫層下金屬材料發(fā)生腐蝕或應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象，目前已成為影響煉化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的熱點(diǎn)、難點(diǎn)之一。由于外部保溫結(jié)構(gòu)的存在，使得保溫層下腐蝕具有隱蔽性強(qiáng)、檢測難度大以及檢測成本高等特點(diǎn)^[1,2]，一旦發(fā)生腐蝕泄漏會對裝置運(yùn)行、安全生產(chǎn)構(gòu)成較大危害，對企業(yè)效益和人身、社會安全造成重大損失^[3,4]。

保溫層下腐蝕發(fā)生的最主要原因保溫結(jié)構(gòu)破損后水分的進(jìn)入引起保溫層下金屬發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。具備物理阻隔性能和耐腐蝕性能的涂層體系被認(rèn)為是保溫層下腐蝕防護(hù)的最有效辦法^[5]。當(dāng)前，煉化企業(yè)用于保溫層下的防腐蝕涂層配套往往缺少保溫層下工況的性能評價數(shù)據(jù)，盡管HG/T 5178和ISO 19277等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對保溫層下防腐蝕涂層的性能要求及評價方法（方管試驗(yàn)和圓管試驗(yàn)）做出了詳細(xì)規(guī)定，但并未得到良好的應(yīng)用和執(zhí)行，仍有部分學(xué)者僅采用圓管試驗(yàn)方法用于保溫層下防腐蝕涂層的耐腐蝕性能評價^[6-8]。

本文通過選用若干常用涂層配套，分別采用方管和圓管兩種模擬保溫層下工況的腐蝕評價方法，用于適用于保溫層下涂層配套體系的篩選，同時對比兩種評價方法的優(yōu)勢和不足，為保溫層下防腐蝕涂層體系的選用及性能評價方法提供參考依據(jù)。

1  試 驗(yàn)

1.1  試驗(yàn)方法

（1）方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

圖1展示了方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)裝置示意圖。將兩個底材為碳鋼的方形鋼管左右兩側(cè)各涂覆兩種不同的配套涂層（圖1中用不同顏色示意），并對單個側(cè)面進(jìn)行劃×處理。之后放置于橫置式循環(huán)腐蝕箱的干/濕室中，再泵入5 wt%氯化鈉溶液，液面位置不低于方管劃線面的1/3。設(shè)定通過方管的導(dǎo)熱油溫度為175℃，然后進(jìn)行42d（1008h）的熱循環(huán)試驗(yàn)。共進(jìn)行六個周期，每個周期7 d（168h），每次循環(huán)為[（4h干狀態(tài)、4h濕狀態(tài)）/8h]，共循環(huán)15次，循環(huán)120h后關(guān)閉加熱盤，清洗實(shí)驗(yàn)槽和方管，時間為48h。此為一周期。每周期結(jié)束后取出方管各面進(jìn)行外觀形貌觀察及老化評級。

圖1  方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)示意圖及實(shí)物圖

（2）圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

圓管循環(huán)腐蝕測試在包裹有保溫結(jié)構(gòu)的圓管上進(jìn)行，見圖2。底材為涂覆有不同涂層配套體系的碳鋼圓管，四周包覆硅酸鈣保溫結(jié)構(gòu)，并將導(dǎo)熱鋁棒放入圓管中。試驗(yàn)前在保溫套內(nèi)倒入1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液，并靜置10min。設(shè)定加熱板溫度為280℃后開始加熱，記錄圓管壁面17個熱電偶測溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。加熱8h后趁熱在保溫套內(nèi)倒入1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液，然后靜置16h，此為1次循環(huán)。每周5次循環(huán)，第五次循環(huán)后室溫放置48h，此為一個周期。六個測試周期（總計42d）結(jié)束以后，取出圓管進(jìn)行外觀形貌觀察及老化評級。

圖2  圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)示意圖及實(shí)物圖

方管和圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)單循環(huán)周期（7d，168h）的簡明示意見表1。

表1  循環(huán)腐蝕試驗(yàn)168h循環(huán)簡明示意

1.2  試驗(yàn)材料

選取6組常用的涂層配套體系進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)信息見表2。其中，涂層配套1的底漆和中間漆選用環(huán)氧云鐵涂料，為目前煉廠大氣腐蝕環(huán)境涂層配套中最常用的中間漆。配套2和配套3均為保溫層下腐蝕環(huán)境中常用的環(huán)氧酚醛漆，其中配套3在環(huán)氧酚醛漆中添加了經(jīng)過比例優(yōu)化的玻璃鱗片，以期提高環(huán)氧酚醛涂層的耐高溫和耐保溫層下腐蝕性能。配套4、5均含有煉化企業(yè)高溫部位常用的有機(jī)硅鋁粉漆，涂層配套體系分別為無機(jī)富鋅漆+有機(jī)硅鋁粉漆和有機(jī)硅鋁粉漆*2，配套6為一種無機(jī)陶瓷惰性共聚物耐高溫漆。

表2  試驗(yàn)涂層配套體系

2  試驗(yàn)結(jié)果

2.1  方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

圖3為175℃條件下方管循環(huán)試驗(yàn)后各涂層配套體系的外觀形貌。由結(jié)果可知，對于受試的所有涂層，浸沒在液相面的變色、開裂、銹蝕和脫落等老化程度明顯高于氣相面。其中，配套涂層1的浸液面在試驗(yàn)后出現(xiàn)了大量裂紋，未通過測試。配套2和配套3涂層均勻平整，四面均未發(fā)現(xiàn)開裂、剝落和銹蝕。配套4和配套5中均含有有機(jī)硅鋁粉漆，其中配套4為無機(jī)富鋅漆+有機(jī)硅鋁粉漆，配套5為兩道有機(jī)硅鋁粉漆，從試驗(yàn)后的結(jié)果來看，兩種涂層配套的浸液面均發(fā)現(xiàn)不同程度的起泡和銹蝕，劃×處均有涂層脫落，銹蝕和起泡，表明有機(jī)硅鋁粉漆不具備良好的保溫層下耐蝕性能。其中配套5液相面布滿了密集的銹蝕孔，邊緣處涂層大面積剝落，露出的金屬基底已嚴(yán)重腐蝕，而配套4腐蝕程度相對輕微，涂層的老化嚴(yán)重程度為配套5＞配套4。因而，選取無機(jī)富鋅作為底漆能夠一定程度上提升有機(jī)硅鋁粉漆涂層的耐蝕程度，但相較其他涂層體系仍不具備良好的耐蝕性能。

有機(jī)硅鋁粉的配套涂層雖具備優(yōu)異的耐高溫性能，但耐腐蝕性能嚴(yán)重不足。其原因是有機(jī)硅鋁粉涂層干膜厚度較低，一般要求其不超過40μm，因此為達(dá)到一定膜厚需要較多的施工道數(shù)，導(dǎo)致其高溫條件下極易開裂^[4,9]。而當(dāng)設(shè)備或管道停工檢修溫度低于100℃時，涂層由于較差的防腐性能極易失效。此外，有機(jī)硅鋁粉涂層中添加的無機(jī)富鋅在溫度高于60℃時易發(fā)生陰極翻轉(zhuǎn)，使碳鋼由陰極轉(zhuǎn)為陽極^[10]，不能起到保護(hù)底材的作用，加劇了碳鋼底材的腐蝕，故配套4、5均不建議用于保溫層下的涂層體系。配套2、配套3和配套6的液相面未發(fā)現(xiàn)明顯的涂層老化現(xiàn)象，整體符合測試要求，耐蝕性能良好。方管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，所有涂層各測試面的性能評價情況見表3。

圖3  方管試驗(yàn)后各浸沒相中的涂層形貌變化

表3  方管試驗(yàn)涂層性能評級情況

2.2  圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

圖4為不同涂層配套體系在280℃圓管試驗(yàn)后的外觀形貌。其中涂層配套1、配套2和配套3圓管底部均發(fā)生了一定程度的變色。除配套5圓管外，其余涂層體系圓管與加熱盤接觸的底部高溫位置涂層剝落和銹蝕長度均在3mm以內(nèi)，銹蝕等級≤Ri1，涂層表面無明顯開裂、起泡和剝落，滿足HG/T5178中280℃條件下的試驗(yàn)要求，在圓管試驗(yàn)中表現(xiàn)了良好的耐保溫層下腐蝕性能。涂層配套5，即純有機(jī)硅鋁粉涂層在圓管試驗(yàn)中的性能評價結(jié)果較差，底部位置涂層出現(xiàn)較大面積銹蝕，脫落長度約10cm，銹蝕等級＞Ri1，未能通過圓管測試。表4為不同涂層配套體系圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的結(jié)果。

圖4  圓管試驗(yàn)后涂層形貌變化

表4  圓管試驗(yàn)涂層性能評級情況

以涂層配套1和配套3為例，繪制圓管實(shí)驗(yàn)的每一個周期中第一個循環(huán)關(guān)閉加熱前的溫度梯度曲線，對比測試不同階段圓管各點(diǎn)的溫度變化及差異，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯S試驗(yàn)周期的進(jìn)行，后期溫度梯度較前期差異較大。其中第一個試驗(yàn)周期各點(diǎn)的溫度梯度明顯，但自第二周期開始，配套1、配套3圓管的各測試點(diǎn)溫度相較于第一周期大幅降低，最大分別降低了59%和61%。這是由于隨著圓管試驗(yàn)的進(jìn)行，保溫層中含鹽水量不斷增加，導(dǎo)致各點(diǎn)溫度不斷下降，這與實(shí)際中保溫層下含水后的工況較為一致。

圖5  涂層配套1（左）及配套3（右）圓管實(shí)驗(yàn)溫度梯度曲線

3  分析討論

綜合各涂層體系在方管及圓管試驗(yàn)中的評價結(jié)果（見表5），可以看出，配套2、配套3和配套6涂層體系在兩種條件的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)中均展現(xiàn)良好的保溫層下防腐蝕性能，即普通酚醛環(huán)氧漆、玻璃鱗片增強(qiáng)酚醛環(huán)氧漆以及惰性無機(jī)共聚物具有良好的保溫層下工況防腐蝕效果。配套1和配套4僅通過圓管測試、未通過方管測試。而配套5在圓管和方管試驗(yàn)中均未通過測試，說明有機(jī)硅鋁粉涂層由于較薄的干膜厚度，不適用于保溫層下防腐涂層的配套體系。

表5  不同評價方法的試驗(yàn)結(jié)果對比

通過對比方管和圓管的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在280℃圓管試驗(yàn)中表現(xiàn)良好防腐性能的涂層配套體系，未必能通過175℃方管循環(huán)腐蝕測試，如配套1和配套4。而在圓管試驗(yàn)中防護(hù)效果較差的涂層，在方管試驗(yàn)中同樣性能表現(xiàn)較差，如配套5。其原因是，方管試驗(yàn)方法可以同時實(shí)現(xiàn)全浸條件、氣相條件、半浸條件、劃叉面、溫度交替等多個方面的評價，可以更好地模擬現(xiàn)場保溫層下多種界面條件的腐蝕工況，具有較好的篩選性，可用于區(qū)分不同涂料配套的耐腐蝕性能；但設(shè)備相對較為復(fù)雜，輔助上其它相關(guān)測試，可以對保溫層下腐蝕進(jìn)行較好的評估。相對而言，圓管試驗(yàn)設(shè)備相對簡單，應(yīng)用溫度范圍更高，但是相對橫管較為穩(wěn)定的參數(shù)循環(huán)，圓管方法中如溫度、含水量等的參數(shù)設(shè)置相對動態(tài)，針對多界面評價的試驗(yàn)條件相對緩和，篩選能力也相對較差，因此經(jīng)圓管測試的涂層配套體系多數(shù)合格。

二者測試方法均有相關(guān)國內(nèi)國際企業(yè)多年應(yīng)用評估經(jīng)驗(yàn)，目前標(biāo)準(zhǔn)HG/T 5178中關(guān)于兩種評價方法的要求為任選一種，而實(shí)際上兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果差別較大。但哪種更為適合或需更進(jìn)一步的改進(jìn)，仍需要更多的研究。

4  結(jié) 論

采用方管和豎立式圓管循環(huán)腐蝕試驗(yàn)方法，考察了多種配套涂層體系在保溫層下腐蝕工況的耐腐蝕性能，并對比了兩種方法的優(yōu)勢和不足，結(jié)果如下：

（1）普通酚醛環(huán)氧漆、玻璃鱗片增強(qiáng)酚醛環(huán)氧漆以及惰性無機(jī)共聚物均能通過兩種方法的循環(huán)腐蝕測試，具有良好的耐保溫層下腐蝕性能。

（2）純有機(jī)硅鋁粉耐熱漆在保溫層下腐蝕工況明顯耐腐蝕性能不足，富鋅類涂料用于大氣腐蝕環(huán)境的涂層體系具有良好的耐腐蝕性能，但用于保溫層下腐蝕工況會因鋅粉的陰極反轉(zhuǎn)而出現(xiàn)起泡的老化問題，因而不能用作保溫層下環(huán)境的涂層防護(hù)體系。

（3）方管試驗(yàn)方法能夠可以更好地模擬現(xiàn)場保溫層下多種界面條件的腐蝕工況，相對于圓管測試方法具備更佳的涂層篩選能力。

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作者簡介：李曉煒（1987-），男，高級工程師，2014年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，碩士，現(xiàn)就職于中石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，從事石油化工腐蝕與防護(hù)研究工作。