長輸熱網(wǎng)管道鋁箔玻纖布反射層的腐蝕原因

紀國劍,郭晶晶,李 森,王政偉,薛瑞芳

(1. 常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，常州 213164； 2. 常州大學(xué) 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室, 常州 213164; 3. 江蘇龍英管道新材料有限公司，常州 213016)

鋁的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，壽命長，鋁箔本身不透光且表面具有金屬光澤，對電磁波具有很強的反射作用，作為保溫層材料可以極大地減少輻射熱損失。鋁可以在空氣中自我鈍化形成氧化鋁保護膜，隔絕外界接觸，從而使鋁具有一定的耐腐蝕性能。

單獨鋁箔的強度、剛度、絕熱特性并不太好，為提高其強度，發(fā)揮反熱輻射作用，一般將鋁箔和其他材料做成復(fù)合材料。鋁箔延展成0.006～0.1 mm的薄層后很難單獨形成空氣間層，因此可將其依托在具有一定剛性的其他薄材(如玻纖布)上面。當(dāng)鋁箔厚度大于15 μm時，鋁箔表面微孔消失，空氣滲透、水蒸氣滲透近似為零，可視為不透氣材料[1]。這些優(yōu)點使得鋁箔的反射特性十分良好，可降低管道10%～15%的散熱損失，被廣泛用于蒸汽輸送熱網(wǎng)管道的保溫[2]。但在鋁箔生產(chǎn)中采用了軋制工藝，這就不可避免地產(chǎn)生針孔缺陷，導(dǎo)致水蒸氣滲透過反射層進入內(nèi)層的高溫玻璃棉，與高溫玻璃棉中的物質(zhì)結(jié)合形成堿性水溶液，進而腐蝕鋁箔，降低鋁箔對輻射的反射效果，增大熱量損失[3-5]。

某電廠熱網(wǎng)管道鋁箔玻纖布反射層的鋁箔發(fā)生了腐蝕。本工作對反射層腐蝕形貌進行了觀察，并采用X射線熒光光譜儀對腐蝕表面進行了元素分析和含量測定，分析了鋁箔玻纖布鋁箔側(cè)腐蝕的原因，為減少鋁箔表面腐蝕提供技術(shù)支持。

1 鋁箔玻纖布表面腐蝕影響因素分析

鋁箔表面與周圍介質(zhì)接觸，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)后，在鋁箔表面產(chǎn)生缺陷，被腐蝕的鋁箔表面會失去金屬光澤，嚴重時還會產(chǎn)生灰色腐蝕產(chǎn)物。鋁箔玻纖布中的鋁箔發(fā)生腐蝕有以下幾種可能：1) 鋁箔存放保管不當(dāng)，由于氣候潮濕或雨水浸入而引起腐蝕；2) 工藝潤滑劑或接觸材料(高溫玻璃棉)中含有水分或呈堿性；3) 復(fù)合材料(玻纖布)成堿性[6]。

1.1 鋁箔的影響

純鋁的強度不高，但可通過冷加工使強度提高一倍以上，另外可通過添加鎂、鋅、銅、錳、硅、鋰、鈧等元素對其進行合金化，再經(jīng)過熱處理使純鋁的強度進一步提高[7]。試驗材料為牌號O-1235的合金鋁箔，其中鋁質(zhì)量分數(shù)為99.35%，同時含有微量硅、鐵、銅、錳、鎂、鋅、釩、鈦等金屬，鐵硅質(zhì)量比為0.25。鐵硅質(zhì)量比會直接影響鋁箔細化晶粒和表面質(zhì)量[8]及其耐蝕性[9]。

1.2 接觸保溫材料的影響

鋁箔表面變色發(fā)黑的原因是高溫玻璃棉中堿性氧化物(主要是氧化鈉Na2O和氧化鉀K2O，見表1所示)在水蒸氣的作用下，與鋁箔發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了偏鋁酸鈉NaAlO2和偏鋁酸鉀KAlO2等，并在鋁箔表面沉積，其化學(xué)反應(yīng)如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 某型高溫玻璃棉化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of a certain type of high temperature glass wool (mass fraction) %

1.3 玻纖布的影響

玻纖布主要由玻璃纖維和短線針刺無紡布復(fù)合而成，是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，根據(jù)含堿量高低分為高堿布、中堿布和無堿布。目前,適用于熱網(wǎng)的鋁箔玻纖布多為中堿布，其含有一定量的堿金屬氧化物，如Na2O，其作用機理與堿性玻璃棉相似。郝雪龍等[10]采用電位法測量了鋁合金陽極氧化膜的耐堿腐蝕性能, 發(fā)現(xiàn)陽極氧化能夠提高其耐堿腐蝕性能，但對點腐蝕的改善作用有限。

2 理化檢驗與結(jié)果

2.1 形貌觀察

保溫鋁箔玻纖布反射層試樣取自無錫某電廠蒸汽管道。該蒸汽管道已運行3 a，其外徑為820 mm、厚度為10 mm，管內(nèi)蒸汽溫度為313～314 ℃，壓力為1.088～1.109 MPa。該蒸汽管道主要采用了典型的硅酸鋁針刺毯、高溫玻璃棉、3款不同耐高溫的鋁箔玻纖布反射層和彩鋼板等共14層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，如表2所示。每層保溫材料之間，有一層鋁箔玻纖布反射層，以降低輻射散熱量。

表2 無錫某電廠蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)Tab. 2 Thermal insulation structure of steam pipeline of a power plant in Wuxi City

取樣時發(fā)現(xiàn)靠近管道的內(nèi)4層反射層的鋁箔狀態(tài)良好，無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，而最外2層反射層即第5層和第6層反射層的鋁箔光面?zhèn)让黠@變暗，局部出現(xiàn)發(fā)黑或變白現(xiàn)象(白斑)，如圖1所示，同時發(fā)現(xiàn)，與之接觸的高溫玻璃棉潮濕，且顏色變暗。雖然內(nèi)層的耐高溫鋁箔玻纖布反射層長期工作在高溫環(huán)境中，但水氣很難滲透過多層的玻璃棉和鋁箔玻纖布進入保溫層內(nèi)部，因此工作環(huán)境較為干燥;而最外的2層鋁箔玻纖布反射層受環(huán)境溫、濕度和高溫玻璃棉的影響，因此表面發(fā)生大面積腐蝕，顏色明顯變暗，局部發(fā)黑，腐蝕現(xiàn)象嚴重。

(a) 第5層鋁箔玻纖布反射層

(b) 第6層鋁箔玻纖布反射層圖1 無錫某電廠熱網(wǎng)用鋁箔玻纖布反射層照片F(xiàn)ig. 1 Photographs of the 5th (a) and the 6th (b) reflective layers of aluminum foil with fiberglass cloth on heat-supply network of a power plant in Wuxi City

2.2 X射線熒光光譜分析

為深入研究鋁箔玻纖布反射層發(fā)黑變暗的原因，采用島津(SHIMADZU) EDX-8000能量色散型X射線熒光光譜儀(XRF)進行了表面元素定量分析。試驗共測試了6個樣，試樣尺寸為15 mm×15 mm，試樣來源及測試位置如表3所示。其中，試樣O-1，O-2為全新未使用過的高溫反射層，同時測試了正反兩面，分別對應(yīng)O-1鋁箔側(cè)和O-2玻纖布側(cè)。

表3 鋁箔玻纖布反射層試樣Tab. 3 Reflective layer samples of aluminum foil with fiberglass cloth

由圖2可見，試樣5C-B表面存在多達12種金屬元素。其主要原因如下：其一，鋁箔玻纖布中使用的鋁箔為西安鋁業(yè)生產(chǎn)的O-1235型金屬壓延鋁，材料本身含有微量硅、鐵、銅、錳、鋅等金屬元素；其二，與鋁箔緊密接觸的高溫玻璃棉中含有硅、鈉、鋁、鉀、鈣等金屬元素的氧化物，這些氧化物會與鋁氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如氧化鈣CaO與偏鋁酸鈉NaAlO2反應(yīng)生成CaO·Al2O3會沉淀出來；其三，玻纖布中含有大量的硅和鈣元素，在長期使用過程中，這些元素會通過鋁箔的針孔滲透至鋁箔光面?zhèn)?。另外，在施工過程中，鋁箔玻纖布通常以纏繞方式包覆在管道外壁，局部位置鋁箔玻纖布會出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致鋁箔光面直接與內(nèi)層的玻纖布接觸。玻纖布中鈣氧化物與鋁箔中鋁氧化物長期作用會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成共生白色沉淀物，在鋁箔表面沉淀并導(dǎo)致鋁箔反射率下降。

圖2 試樣5C-B表面元素分析XRF譜Fig. 2 Surface element analysis XRF spectrum of sample 5C-B

表4給出了不同試樣X射線熒光分析結(jié)果。結(jié)果表明，不同的鋁箔玻纖布反射層表面主要元素為鋁，其含量均在98%(質(zhì)量分數(shù))以上，同時含有多種微量金屬元素；不同鋁箔玻纖布反射層中各種微量元素成分會略有不同，其含量也會有微弱波動，如試樣5C-B和5C-W，后者缺少了硫和鉀元素。

3 腐蝕原因分析

對比第五層反射層局部發(fā)黑試樣5C-B與局部發(fā)白試樣5C-W的X射線熒光分析結(jié)果可知，后者的鈣質(zhì)量分數(shù)由0.53%增加到1.25%，增加了一倍多，鈣主要來源于玻纖布。第6層反射層局部發(fā)黑試樣6C-B與局部發(fā)白試樣6C-W，也出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。新品試樣O-1中鈣元素含量也較低。導(dǎo)致鋁箔玻纖布反射層發(fā)白的原因是鋁箔表面生成了CaO·Al2O3等共沉淀物，且產(chǎn)物中的NaOH會進一步促進偏鋁酸鈉NaAlO2的形成，整個反應(yīng)成惡性循環(huán)，其化學(xué)反應(yīng)見式(5)～(8)。水蒸氣的滲透為反應(yīng)提供了水，加速了腐蝕的發(fā)生。

(5)

(6)

(7)

2NaOH

(8)

表4 不同試樣X射線熒光分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab. 4 X-ray fluorescence analysis results of different samples (mass fraction) %

4 結(jié)論與建議

對無錫某電廠熱網(wǎng)管道鋁箔玻纖布反射層中鋁箔腐蝕的原因進行了分析,得到如下結(jié)論并提出相應(yīng)的建議：

(1) 鋁箔與玻纖布纏繞時，重疊部分的玻纖布中鈣氧化物會與鋁箔中鋁氧化物長期作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成共生白色沉淀物，在鋁箔表面沉淀并導(dǎo)致鋁箔反射率下降。在實際施工中，應(yīng)盡量減少鋁箔與玻纖布的直接接觸，纏繞時應(yīng)盡量避免重疊。

(2) 水蒸氣的滲透會加速腐蝕的發(fā)生，建議保溫管道外層玻纖布與彩鋼板之間，增加一層防水薄膜。