保溫層下腐蝕及防護(hù)措施

(北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，北京 100012)

保溫層下腐蝕(Corrosion Under Insulation，簡(jiǎn)稱CUI)是指保溫層覆蓋下的金屬管道或設(shè)備，在水和腐蝕性物質(zhì)的參與下發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。CUI隱蔽性強(qiáng)，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，因而極易引發(fā)突發(fā)泄漏事故。一般運(yùn)行5年后的設(shè)備或管道發(fā)生保溫層下腐蝕的概率大幅上升，而運(yùn)行16～20年的管道最容易發(fā)生泄漏[1]。CUI不僅造成產(chǎn)品泄漏、裝置故障或停工及維修成本增加，甚至有可能發(fā)生傷亡事故。每年全球由于CUI所造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元[2]。在國(guó)內(nèi)工程中，CUI一直未能得到普遍重視，或僅從保溫層設(shè)計(jì)或防護(hù)涂層單一方面入手,因此從工程運(yùn)營(yíng)全周期對(duì)其進(jìn)行全面分析很有必要。

1 CUI的發(fā)生機(jī)理

CUI的發(fā)生是水、污染物以及溫度共同作用的結(jié)果。保溫層下的水主要來(lái)自兩個(gè)方面：(1)外界的水滲透及冷凝。由于外保護(hù)層的設(shè)計(jì)缺陷、某些部位施工不當(dāng)及機(jī)械損傷等原因都會(huì)使水進(jìn)入保溫層。(2)保溫層內(nèi)蒸汽和熱水伴熱管的泄漏也是水的一大來(lái)源，同時(shí)，當(dāng)金屬表面溫度低于介質(zhì)露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣也會(huì)凝結(jié)在金屬表面形成液態(tài)水。導(dǎo)致保溫層下腐蝕的主要污染物有氯化物和硫酸鹽等，污染物來(lái)自外部環(huán)境和保溫材料，保溫層所用的材料含有大量的無(wú)機(jī)鹽(如硫酸鹽、氯化物和氟化物等)。無(wú)機(jī)鹽在水中大多有較高的可溶性，能增加水的電導(dǎo)率及腐蝕性。金屬鹽的水解會(huì)引起陽(yáng)極區(qū)的pH值降低而導(dǎo)致局部腐蝕[3]。金屬表面和保溫材料間形成的薄層電解質(zhì)溶液，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了必要條件。電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3和Fe3O4較為疏松，腐蝕介質(zhì)能順利穿過(guò)腐蝕產(chǎn)物并繼續(xù)腐蝕金屬本體,因此金屬表面某處一旦發(fā)生腐蝕，就會(huì)不斷地發(fā)展下去[2]。

腐蝕介質(zhì)的濃度、氧含量及溫度都會(huì)影響CUI速率。最容易發(fā)生CUI的溫度范圍是-4～175 ℃。當(dāng)溫度低于-4 ℃時(shí)，一般沒有腐蝕；而在溫度高于175 ℃時(shí)，金屬表面溫度足夠保持其干燥，也很少發(fā)生腐蝕。在達(dá)到水的沸點(diǎn)之前，溫度每升高15～20 ℃，腐蝕速率就會(huì)增加一倍。周期性的溫度變化，會(huì)導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的不斷濃縮和聚積，加劇了該區(qū)域的腐蝕。

工程設(shè)計(jì)中往往較多關(guān)注了碳鋼的腐蝕，而忽視了不銹鋼和合金鋼的腐蝕。不銹鋼和合金鋼的腐蝕不易被發(fā)現(xiàn)，但其腐蝕比碳鋼腐蝕更危險(xiǎn)。碳鋼和低合金鋼在保溫層下的腐蝕常表現(xiàn)為均勻腐蝕和點(diǎn)蝕;奧氏體不銹鋼在保溫層下的腐蝕為應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕。循環(huán)通過(guò)水露點(diǎn)的操作工況對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂特別敏感：低溫時(shí)存在的水，在高溫時(shí)蒸發(fā)，每次溫度循環(huán)，水中溶解的氯化物鹽類都會(huì)在表面濃縮[3]。對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂最敏感的不銹鋼是18-8不銹鋼。高鎳、鉻、鉬奧氏體不銹鋼和低鎳、高鉻含量的雙相不銹鋼在保溫層下不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[4]。

2 CUI的防護(hù)措施

2.1 防護(hù)層設(shè)計(jì)

外防護(hù)層能有效阻止或阻擋外部水分及腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入。外防護(hù)層有金屬和非金屬兩大類,外防護(hù)層選擇需要綜合考慮成本、環(huán)境腐蝕性及操作溫度等因素。工業(yè)應(yīng)用最廣泛的金屬防護(hù)層有鍍鋁、鍍鋁鋅、鋁皮和不銹鋼。在海洋性氣候條件下，空氣相對(duì)濕度大，空氣中鹽分含量較高，保溫層下腐蝕較嚴(yán)重。工程實(shí)踐表明，碳鋼鍍鋁鋅在海洋性氣候條件下抗腐蝕性能較好。

只有防護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，才能有效阻止外部水分進(jìn)入保溫層，可參考相關(guān)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)。該文僅以保溫盒為例介紹防護(hù)層設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：連接處應(yīng)搭接以降低外部水分進(jìn)入的可能性，搭接后接縫應(yīng)涂抹密封膠，盒蓋上部應(yīng)保持傾斜以便于排水，閥門盒底部應(yīng)設(shè)置排水孔等。管道保溫盒設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 保溫盒設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)管道布置間距應(yīng)合理，留足保溫空間，充分考慮管道之間，管道和其他設(shè)施之間的間距，特別關(guān)注保溫盒所占空間；(2)減少管道設(shè)備保溫開口，開口越多水和污染物侵入保溫層中可能性越大;(3)設(shè)備附件應(yīng)避免出現(xiàn)穿透保溫層的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致水分滯留的外形結(jié)構(gòu);(4)裝置應(yīng)設(shè)置合理通道，以免維護(hù)人員踩踏保溫外皮。

2.2 保溫材料選擇

保溫層是水及電解質(zhì)擴(kuò)散的通道，選擇合理的保溫材料能有效降低CUI的影響。保溫材料分親水型和疏水型兩大類，疏水型保溫材料分為自身疏水 (泡沫玻璃) 和加入化學(xué)添加劑疏水 (如WRG巖棉),常用的親水型材料有巖棉和硅酸鈣等。工程實(shí)踐表明，吸水性材料會(huì)加速CUI速率;而自身干燥速率快、貯存水分少的保溫材料可以有效降低CUI。保溫材料的選擇，還應(yīng)結(jié)合考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、導(dǎo)熱性能、使用溫度限制、抗壓強(qiáng)度及施工性能等因素。

任何保溫材料都無(wú)法阻止CUI發(fā)生[5]，主要是由于：(1)防護(hù)層結(jié)構(gòu)所決定。防護(hù)層上必然存在開口，保溫材料與金屬表面之間必然存在間隙，提供了水和腐蝕介質(zhì)的進(jìn)出通道；(2)保溫材料本身的組成所決定。保溫材料具有可濕性、水溶性和滲透性；(3)保溫材料自身帶入污染物,在保溫材料變潮或受濕后，污染物從保溫材料中滲出，隨著水分向金屬表面擴(kuò)散。

2.3 防腐蝕涂層選擇

保溫層下防腐蝕最為關(guān)鍵的措施是金屬表面涂覆高性能防腐蝕涂層。防腐蝕涂層從物理角度隔斷了水及污染物向金屬基體表面的擴(kuò)散，是降低CUI的有效措施。

有機(jī)涂層是工程中應(yīng)用最廣的的防腐蝕涂層，其原理主要是通過(guò)有機(jī)涂層與金屬基體形成良好的粘結(jié)層來(lái)阻擋水及電解質(zhì)向金屬表面的擴(kuò)散；防腐蝕性能主要取決于涂層與金屬基體的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層抵抗水及侵蝕性離子滲透的能力。耐高溫涂層一直是CUI研究的重點(diǎn)，防腐蝕耐高溫涂層體系及特性如下[3]：

(1)環(huán)氧樹脂體系，適用于溫度較低處，耐酸性一般，涂層較硬。

(2)環(huán)氧酚醛體系，適用溫度可至250 ℃，是常用的耐高溫涂料，其電絕緣性良好，耐水及抗一般化學(xué)品腐蝕性能較好，但機(jī)械性能較差。

(3)有機(jī)硅樹脂體系，適用溫度可至600 ℃，是常用的耐高溫涂料，其高亮度、高硬度耐磨及絕緣性能好，但耐堿性差，在高溫下可能會(huì)產(chǎn)生回粘。

(4)無(wú)機(jī)共聚物體系適用溫度可超過(guò)1 000 ℃，其具有較高的耐熱性、導(dǎo)熱系數(shù)低及電絕緣性好，但使用成本較高，常用于超高溫工況。

新型涂層技術(shù)在CUI預(yù)防中也得到了廣泛的應(yīng)用，其中包括熱噴鋁和冷噴鋁等。熱噴涂技術(shù)是利用氧燃料或噴射電弧，將噴涂材料加熱至半熔融或熔融狀態(tài)，通過(guò)氣流吹動(dòng)使其霧化高速噴射到零件表面，形成噴涂層。美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)研究表明，熱噴鋁涂層能有效預(yù)防碳鋼的CUI，對(duì)設(shè)備的防護(hù)壽命達(dá)到20～30年。冷噴鋁涂層，主要成膜物質(zhì)是鈦改性無(wú)機(jī)共聚物，片狀金屬鋁，能充分發(fā)揮屏蔽保護(hù)作用。冷噴鋁涂料在高溫情況下，尤其是熱沖擊或熱循環(huán)工況條件中，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防腐蝕性能。轉(zhuǎn)化膜新技術(shù)、滲鋁技術(shù)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)輸管防腐蝕工程中。

金屬表面防腐蝕涂層的選用，應(yīng)綜合考慮最高運(yùn)行溫度、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間以及涂層推薦應(yīng)用壽命來(lái)進(jìn)行選擇。工程設(shè)計(jì)中可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如HG/T 20679—2014《化工設(shè)備管道外防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》及美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)最新標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0198—2010《保溫層下和防火材料下面腐蝕控制》。NACE SP0198—2010從腐蝕機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保溫材料選擇及防腐蝕涂料選擇等方面非常詳細(xì)地介紹了CUI的產(chǎn)生和預(yù)防手段，列出了部分針對(duì)不銹鋼以及碳鋼表面防腐蝕處理的涂層體系,具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2.4 檢測(cè)與維護(hù)

CUI具有隱蔽性和偶然性。有效的檢測(cè)和維護(hù)，能最大程度地降低和減緩CUI的發(fā)生。除目視檢測(cè)外，常用的檢測(cè)方法有: X射線或γ射線背反射;深度滲透渦流(厚壁)、微波和紅外成像等。渦流技術(shù)在帶防腐蝕涂層檢測(cè)技術(shù)中報(bào)道較多，其原理是基于磁感應(yīng)將保溫層下出現(xiàn)腐蝕或微裂紋通過(guò)渦流大小顯現(xiàn)出來(lái)。對(duì)目視檢查腐蝕嚴(yán)重的，在測(cè)厚檢測(cè)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)輔以蝕坑測(cè)量、光譜分析及X光成相等技術(shù)手段，準(zhǔn)確評(píng)定腐蝕程度和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)不易檢查和檢查費(fèi)用較高的管線(如塔附屬管線)可采用導(dǎo)波檢測(cè)。

維護(hù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注易發(fā)生CUI的部位[6]，主要包括：(1)冷卻塔溢出水影響區(qū)域；(2)暴露于濕氣或酸氣、液體溢濺及Cl-含量高區(qū)域；(3)蒸汽排放點(diǎn)附近；(4)保溫層系統(tǒng)分支或開口部位，如管線的支吊架和高低點(diǎn)放空等;(5)包覆層、防潮層及防腐涂層老化的部位；(6)保護(hù)層接縫處水平上半部和密封搭接不嚴(yán)實(shí)的部位；(7)保護(hù)層脫落或損壞的部位； (8)豎管保溫的終端；(9)保溫層下法蘭、螺栓和其他附件；(10)設(shè)備穿透保溫層的部位(如支腿、管口、支架及銘牌等伸出部位)和水分容易滯留的部位等。維護(hù)還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)工廠安全運(yùn)行影響大的高溫高壓和有毒有害管道設(shè)備的CUI狀況。

3 結(jié) 語(yǔ)

CUI的發(fā)生是水和腐蝕性介質(zhì)對(duì)保溫層下金屬表面長(zhǎng)期作用的結(jié)果。防腐蝕涂層的防護(hù)是降低CUI影響的關(guān)鍵，除此之外，還應(yīng)注意防護(hù)層設(shè)計(jì)、保溫材料選用及定期檢測(cè)與維護(hù)等。