鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道腐蝕防護(hù)

李勇 趙彥杰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院周口分院河南周口466000）

鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道腐蝕防護(hù)

李勇 趙彥杰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院周口分院河南周口466000）

壓力容器和壓力管道的材質(zhì)一般是鋼材，由于其儲(chǔ)存和輸運(yùn)的介質(zhì)中含有硫化氫、二氧化碳、氧氣和硫酸鹽等成分，易發(fā)生壓力容器和壓力管道腐蝕破壞，腐蝕已成為引起壓力容器和壓力管道系統(tǒng)可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素。

鋼材；腐蝕；破壞

1 前言

目前，鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道腐蝕已越來(lái)越引起廣泛關(guān)注，對(duì)生成生活造成很大影響，腐蝕會(huì)造成介質(zhì)跑、冒、滴、漏，不但污染環(huán)境，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)、中毒、爆炸等惡性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，也會(huì)引起的生產(chǎn)企業(yè)停工停產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量下降等后果。同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物形成垢層，影響介質(zhì)流速，傳輸效率降低，能耗增加，降低了經(jīng)濟(jì)效益，因腐蝕造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。此外，為了有效防止鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道的腐蝕、有效延長(zhǎng)鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道的使用壽命、減少因壓力容器和壓力管道腐蝕而引起的事故、降低經(jīng)濟(jì)損失、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道進(jìn)行防腐蝕研究，探索防腐蝕新材料、新施工工藝，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義及社會(huì)效益。

目前廣泛采用的是在壓力容器和壓力管道內(nèi)壁涂覆防腐蝕材料，利用涂層把輸送的腐蝕介質(zhì)與壓力容器和壓力管道隔離，以達(dá)到對(duì)壓力容器和壓力管道的保護(hù)。常用的有聚乙烯防腐蝕材料、環(huán)氧樹(shù)脂防腐蝕材料、納米材料等，取得了一定的防腐蝕效果。但防腐蝕材料在使用過(guò)程中，要與腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期直接接觸，腐蝕介質(zhì)中含有大量的H2S、CO2等酸、堿物質(zhì)，會(huì)不斷的侵蝕防腐蝕涂層；同時(shí)，由于壓力容器和壓力管道中的壓力是不斷變化的，涂層承受的載荷也在不斷變化，在這些因素共同作用下，部分防腐蝕材料會(huì)出現(xiàn)鼓泡、開(kāi)裂甚至脫落的現(xiàn)象，不能起到長(zhǎng)期防腐的效果。

2 國(guó)內(nèi)外的防腐蝕研究概況

鑒于壓力容器和壓力管道腐蝕問(wèn)題的復(fù)雜性和嚴(yán)重性，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓力容器和壓力管道防腐蝕技術(shù)都很重視，防腐涂層技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外最為廣泛應(yīng)用的防腐蝕措施，防腐蝕涂層的應(yīng)用極大地減少了腐蝕的發(fā)生和危害。

在美國(guó)鋪設(shè)大直徑的新建壓力容器和壓力管道一般都是采用溶結(jié)環(huán)氧粉末涂層[1]。其優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的表面容忍性。缺點(diǎn)包括表面處理的變化可能會(huì)引起粘結(jié)問(wèn)題，在重疊處經(jīng)常會(huì)粘結(jié)不好，在表面狀況不好的地方會(huì)產(chǎn)生涂層不連續(xù)，破壞粘結(jié)的質(zhì)量和性能。

德國(guó)原油及成品油罐內(nèi)壁防腐多采用聚氨酯涂料，由于在聚氨酯涂料在施工及使用過(guò)程中會(huì)釋放出有毒物質(zhì)，制約了其應(yīng)用范圍[2]。

日本國(guó)內(nèi)儲(chǔ)油罐中有66.5%采用乙烯酯和聚酯玻璃鱗片作為內(nèi)壁防腐蝕涂料，27.1%的采用環(huán)氧涂料，6.4%的采用鋅粉涂料。缺點(diǎn)是使用涂層厚度較薄，平均為0.7mm，其中環(huán)氧涂層最小厚度為0.05mm，使用壽命較短，一般為7～10年[3]。

我國(guó)在1985年開(kāi)始使用溶結(jié)環(huán)氧粉末涂層，其優(yōu)點(diǎn)是鋼管的粘結(jié)力強(qiáng)、機(jī)械性能好，使用溫度高，良好的膜完整性、耐陰極剝離性、耐磨損等。缺點(diǎn)是涂層較薄，對(duì)損傷的抵抗力差，特別是高溫條件下吸水率較高[4]。

納米技術(shù)是一門(mén)新興技術(shù)，利用納米技術(shù)對(duì)有機(jī)涂層防腐材料進(jìn)行改性，可有效提高其綜合性能，特別是增加材料的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、附著力，提高耐老化性、耐候性等，達(dá)到更好的防水、防腐效果。目前這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，技術(shù)不成熟且成本較高，不利于大規(guī)模使用[5]。

3 常用的防腐蝕襯里材料

目前常用的壓力容器和壓力管道防腐蝕襯里有機(jī)材料一般是由塑料、合成橡膠和復(fù)合材料制成的聚合物。這些材料通過(guò)一定的加工工藝被加工成合適的形式，同時(shí)為了達(dá)到某些特定的性能而需要加入適當(dāng)?shù)念伭?，最終在被壓力容器和壓力管道內(nèi)表面形成防腐蝕涂層，使被保護(hù)對(duì)象與腐蝕性介質(zhì)隔離，起到腐蝕防護(hù)的目的。

壓力容器和壓力管道常用的防腐蝕材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等通用高分子材料與氟碳材料等特種高分子材料，近年又逐漸開(kāi)發(fā)出納米級(jí)材料、有機(jī)鈦等新型材料。

研究表明壓力容器和壓力管道工作過(guò)程中壓力波動(dòng)較頻繁且輸運(yùn)介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性，部分防腐蝕材料在投入使用后很短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象，使其防護(hù)失效，因此需要選擇一種防腐能力強(qiáng)、耐候性較好的材料，常用材料的性能分析情況如下：

3.1 環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂的分子鏈?zhǔn)怯商?碳鍵和醚鍵構(gòu)成的，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，能耐稀酸、堿和一些溶劑。環(huán)氧基團(tuán)能與多種固體介質(zhì)表面，特別是金屬表面上的游離鍵起反應(yīng)形成化學(xué)鍵，因此環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的黏結(jié)性[6]。在與固化劑交聯(lián)固化后，能夠體現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性、抗水性。

環(huán)氧樹(shù)脂在固化前，通常以低分子的預(yù)聚物液體形式存在，經(jīng)過(guò)固化劑的交聯(lián)固化，才具有符合腐蝕工程應(yīng)用要求的使用性能，具有優(yōu)良的黏結(jié)性能，耐化學(xué)藥品性及良好的力學(xué)性能、耐熱性能和電氣性能，但耐候性能及柔韌性能較差。

3.2 聚乙烯

聚乙烯是一種熱塑性材料，其密度小于水，大約在90～130℃軟化，是一種很好的電絕緣體，耐化學(xué)腐蝕性很好，化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最多的是聚乙烯薄膜。通常高密度聚乙烯的耐蝕性較低密度聚乙烯稍好一些。低密度聚乙烯與高密度聚乙烯摻和可以用于注塑制備化工設(shè)備、電工器材、密封件軸套等[7]。

聚乙烯樹(shù)脂防腐蝕材料具有較好的耐候性、耐水性、柔韌性，因此本課題選用聚乙烯防腐蝕材料作為研究對(duì)象之一，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，同其他材料進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)定其在鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道防腐蝕方面的優(yōu)劣之處。

3.3 聚丙烯

聚丙烯具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，除了強(qiáng)氧化劑、濃硫酸、濃硝酸等對(duì)它有侵蝕外，其他試劑對(duì)聚丙烯無(wú)作用。聚丙烯是非極性結(jié)晶型聚合物，在室溫下不溶于任何溶劑，直到100℃仍可以耐多種酸、堿和鹽類(lèi)溶液。

聚丙烯在一般溫度下作為結(jié)構(gòu)材料使用，但其彈性模量較低，又隨著溫度上升而降低，鋼材的彈性模量在196～206GPa之間。因此在用于鋼質(zhì)壓力容器和壓力管道防腐蝕中，隨著介質(zhì)溫度的不斷變化，聚丙烯與鋼材之間由于彈性模量差別較大，因此會(huì)造成涂膜與鋼材之間分離甚至脫落。此外，聚丙烯對(duì)氧比較敏感，在氧的作用下會(huì)降解產(chǎn)生低分子物被分解。

3.4 氟塑料

氟塑料是各種含氟塑料的總稱(chēng)，氟碳防腐蝕材料具有傳統(tǒng)合成樹(shù)脂防腐蝕材料所無(wú)法比擬的獨(dú)特性能[8]。由于氟碳防腐蝕材料中的基料氟樹(shù)脂所含C-F鍵是已知的最強(qiáng)的分子鍵之一，鍵能高達(dá)486J/mol，且分子鍵距較短。因此氟碳防腐蝕材料具有優(yōu)異的耐酸、耐堿、耐溫、自潤(rùn)滑、抗輻射性等性能[9]。

目前氟聚合物以防腐蝕材料形式應(yīng)用的品種較多，在準(zhǔn)備防腐蝕材料的時(shí)候，為了滿(mǎn)足不同的用途，通過(guò)添加填充料和顏料對(duì)原聚合物進(jìn)行改性[10]。無(wú)機(jī)填充料可減小涂層成型后的收縮率。填充高分子聚合物形成高分子合金涂層可以改善涂層的機(jī)械性能和物理性能。在氟樹(shù)脂防腐蝕材料準(zhǔn)備涂層的時(shí)候，不僅要考慮涂層本身的性能，而且還應(yīng)考慮涂層的制備方法。氟塑料具有較好的防腐蝕性能、耐溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，已經(jīng)在化工、冶金、石油等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果。

[1]艾云龍主編.工程材料及成型技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2007：63-70

[2]董祥忠主編.特種成型與連接技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.3:224-230

[3]張聯(lián)盟.材料科學(xué).北京：高等教育出版社，2005.2：398-462

[4]秦國(guó)治，田志明編著.防腐蝕技術(shù)應(yīng)用實(shí)例.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.4:267-276

[5]秦國(guó)治，王順.油罐腐蝕與防護(hù).腐蝕與防護(hù).1999，（9）：408

[6]張聯(lián)盟.材料科學(xué).北京：高等教育出版社，2005.2：398-462

[7]溫樹(shù)林等.材料科學(xué)與微觀結(jié)構(gòu).北京：科學(xué)出版社，2007：129-130

[8]秦國(guó)治，田志明編著.防腐蝕技術(shù)應(yīng)用實(shí)例.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.4:267-276

[9]胡宏偉.聚氟乙烯的合成與應(yīng)用有機(jī)氟工業(yè)，1991，（5-6）:23-29

[10]劉結(jié)，董亦森.新型氟碳建筑涂料-聚偏氟乙烯涂料.廣州化工，2000，28（2）：19-24

李勇，（1983—），男，碩士研究生，工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。