拋丸法除銹在大型儲罐施工中的技術應用

孫福斌

大慶石化建設有限公司 黑龍江大慶 163714

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源消耗急劇增長，石油和成品油的需求劇增。大型立式鋼制油罐是石油化工行業(yè)非常重要的儲運設備，越來越多地用于原油、成品油等儲運工程。隨著儲罐運行時間的延長，儲罐腐蝕、老化等問題日益突出。近幾年，儲罐因腐蝕導致使用年限縮短的事件頻繁發(fā)生。鋼制儲罐的外腐蝕主要是大氣腐蝕，現(xiàn)在廣泛應用的控制鋼制儲罐大氣腐蝕的方法是加保護涂層。在影響鋼制大型儲罐外防腐涂層壽命的因素中，60%～70%是由于外表面處理不當，涂料本身性能的原因只占25%左右。因此，有針對性地采用行之有效的金屬表面處理方法，對于延長儲罐的使用壽命，確保大型原油儲罐安全長周期運行具有重要意義。

1 罐壁板除銹工藝選擇

金屬儲罐外表面防腐壽命主要由環(huán)境、材料和技術三大因素所決定。其中除了儲罐使用時的環(huán)境因素無法人為控制外，其他因素都可以通過適當?shù)姆椒右钥刂苹蛘{整，以提高防腐涂層壽命。在影響鋼制大型儲罐外防腐涂層壽命的因素中，60%～70%是由于外表面處理不當造成的，涂料本身性能的原因僅占25%。

鋼制儲罐外防腐蝕涂裝工藝主要包括涂裝前金屬儲罐外表面的處理，涂裝方法的選擇和確定，涂層厚度的控制，涂裝現(xiàn)場環(huán)境條件的控制（溫度、濕度等）和各涂料的涂裝間隔控制等。

對涂裝基材要進行嚴格而完善的表面處理，這也是影響涂層防腐效果的主要因素。如果涂層覆蓋在有銹蝕物的金屬表面上，在一定條件下，腐蝕仍會繼續(xù)進行，使鐵銹體積增大，產(chǎn)生膨脹，破壞涂層。且焊渣、灰塵、污物等都是影響涂層質量的隱患。因此，必須在涂裝前進行除銹處理?，F(xiàn)在儲罐建設中對鋼制構件的表面處理廣泛采用噴砂除銹法。噴砂除銹具有投資少、占地少、上馬快、機動性和適應性強、操作和維修保養(yǎng)簡單等優(yōu)點。但是與拋丸除銹相比，噴砂除銹法存在環(huán)境污染程度大、表面錨紋度較小、清理效率較低、不利于涂層的附著力和人工客觀因素較大等缺點。兩種方法的對比見表1。

從表1可見，雖然拋丸除銹一次性投資較大，但是其在大型儲罐建設中的應用中與其他清理技術相比，具有減少人工操作費用，避免交叉作業(yè)帶來的不便，提高機械產(chǎn)品和金屬構件的抗疲勞性能，消除應力集中，延長使用壽命，優(yōu)化工件的表面工藝狀態(tài)，大大提高清理效率，減輕清理工作的勞動強度和環(huán)境污染小等優(yōu)點，所以拋噴丸清理現(xiàn)在仍然是除銹效果最明顯和最環(huán)保的方法。

表1 噴砂法和拋丸法兩種除銹方法的對比

2 磨料的種類、硬度及選用

2.1 磨料的種類

磨料從材質上可分為兩類：非金屬類與金屬類。非金屬磨料一般包括銅礦砂、石英砂、河砂、剛玉和玻璃等。由于非金屬類磨料破碎率極高，灰塵多，污染嚴重且效率低，除了少數(shù)還繼續(xù)延用外，大多數(shù)已逐步由金屬類磨料取代。金屬磨料根據(jù)材質可分為白口鑄鐵丸(砂)、脫碳退火鑄鐵丸、鑄鋼丸(砂)及鋼絲切丸，其化學成分見表2。

2.2 磨料的硬度

對磨料的硬度要求可根據(jù)工件的表面狀態(tài)而定，一般來說硬度值應高于鋼材表面硬度HRC5-HRC30。磨料的硬度見表3。白口鑄鐵丸（砂）經(jīng)回火處理后，硬度雖可降為HRC53-HRC57，但脆性仍較大，不耐沖擊，破碎率高；脫碳退火鑄鐵丸硬度較低，不耐磨，用時易扁；鑄鋼丸（砂）硬度有4種范圍，能適合于各種金屬表面的清理、除銹及表面強化，也是唯一滿足理論硬度要求的磨料。此外，鑄鋼丸（HRC40-HRCA5）及鋼絲切丸在重復打擊鋼材的過程中，磨料自身發(fā)生加工硬化，工作40h后表面硬度可提高到HRC42-HRCA6，工作300h后表面硬度可提高到HRCA8-HRC50。

在使用磨料進行清理、除銹過程中，若磨料硬度過高，則打到鋼材表面上易破裂，還會吸收能量，降低沖擊功，且粉塵最大，這就是白口鑄鐵丸（砂）不能重復使用的原因。當磨料硬度太低時，磨料受沖擊時易變形，特別是脫碳退火鑄鐵丸，自身變形時吸收了沖擊能量，降低沖擊功后，清理及表面強化效果不理想。只有使用硬度適中的磨料（如鑄鋼丸、鑄鋼砂、鋼絲切丸），才能延長磨料使用壽命，達到理想的清理、表面強化效果。另外，若磨料硬度適中、反彈性好，具有起二次沖擊作用，其清理、除銹、刻蝕及表面強化效果好，例如鑄鋼丸、鋼絲切丸的反彈效果最好，清理及表面強化效果亦最好。金屬表面預處理時，最好使用硬度稍高的棱角形的鑄鋼砂，其硬度為HRC53-HRC57，可起到微刮削作用，增加表面粗糙度，從而增加涂裝材料的附著力。各種金屬磨料的硬度見表3。

2.3 磨料的選擇

磨料粒度的選擇不宜太小，也不宜太大。直徑太小，則沖擊力小，鋼材表面的粗糙度（彈痕）減小，涂裝后涂料的附著力也小，易剝落；而直徑過大，單位時間內噴打在工件表面的顆粒數(shù)就少，也會降低效率，并使鋼材表面的粗糙度（彈痕）增大，增加其后涂裝過程中涂料的消耗量。最佳磨料的直徑應根據(jù)表面粗糙度（彈痕）要求選擇，詳見表4。

表2 金屬磨料的化學成分%

表3 金屬磨料硬度

在大型儲罐罐壁板防腐除銹過程中，可采用規(guī)格為0.8～1.4mm的單一規(guī)格鑄鋼砂與鑄鋼丸（各占50%）作為磨料，混合使用達到粒度分布不變。

3 拋丸機工藝流程

拋丸機組主要包括拋丸機輥道及上壓輥、6臺與水平線成45°交錯布置的拋丸機、2臺螺旋收丸機、2臺丸料提升機、1套給丸閥門控制機構，以及丸料的凈化及除塵設備等。拋丸機布置如圖1所示。板材經(jīng)過拋丸機組后，可將其表面的氧化鐵皮清除掉。

圖1 拋丸機布置示意圖

當板材通過拋丸機組時，通過6個拋丸機噴拋丸料，對板材表面進行拋光。經(jīng)拋丸后的丸料及雜物，靠自重落人下部的丸糟中，并通過螺旋收丸機，將丸料送到丸料提升機的地坑里；丸料經(jīng)提升機皮帶上的刮斗提升到機組的上方，并卸到固定的接丸斜板上，流入分選篩；篩子將大的氧化鐵皮及其雜物篩選出來，并人工定期排放，丸料及粉塵從篩子上落下；由于抽風機的作用，將丸料中的碎丸粒子粉塵隨風帶走，正常丸料又回到丸料倉內。要求拋丸后板材表面的質量達到Sa2.5級，設備噪音最大不超過85dB。

4 拋丸機在大型儲罐除銹技術中的應用及質量控制

4.1 拋丸機的選用

大型儲罐普遍采用中厚型鋼板，拋丸除銹在儲罐施工中生產(chǎn)率高、費用低，可改善周圍環(huán)境衛(wèi)生條件，減輕勞動強度，且拋后板面粗糙度均勻，從而增加表面面積，增大油漆的粘附性，延長了油漆的使用時間，增強涂膜的保護作用。拋丸機有臥式和立式之分。臥式是鋼板平放，立式是鋼板豎立放，通常都是雙面同時拋丸。臥式對鋼板輸送比較方便，生產(chǎn)能力大，采用比較普遍，但占地較大，設備較重；立式需有翻立板機，不適用于立起容易倒下的薄而寬鋼板，但占地小，丸落下不用清除，同時存在設備輕、處理能力低、拋丸室狹、維護困難的缺點，所以不建議在儲罐防腐施工中采用。以10萬m3的儲罐為例，可采用長×寬×高為13000mm×2500mm×529mm，清理室開口尺寸 2600 mm×625mm，拋丸器數(shù)量6個，葉輪直徑φ420mm，拋丸量6×250kg/min，電機功率6×15kW規(guī)格的輥道式拋丸清理機。

4.2 拋丸對板材機械性能的影響

拋丸器的拋頭下面輥道輥子需考慮耐磨的要求；拋丸室出入口用簾密封，以免塵灰散出影響工作環(huán)境；拋后板面用風刷吹去鐵皮殘渣，經(jīng)過濾后將丸收集提升至分配器內以備再用，而塵灰由除塵器排出收集；拋丸消耗后應定時補充新的拋丸；拋丸清除度應達100%，未達到時可返回清第二次或用手工局部清除掉。

拋后板面粗糙度以打入深度計，一般平均在50～70μm之間。清除度好壞與粗糙度大小首先取決于拋丸速度，速度高，則打擊動能大、清除效果好，粗糙度也大。其次，取決于拋丸顆粒的大小，顆粒愈細，單位時間內拋出丸子數(shù)量愈多，沖擊次數(shù)也多，麻點密度大，所以清除度也高。但顆粒愈大，粗糙度也愈大；再者，拋丸的數(shù)量多，流量大，清除度也好。另外，拋射延續(xù)時間愈長，清除度也越高，但對粗糙度影響不大。拋丸對機械性能的影響很小。

以拋丸直徑為0.8mm鋼丸，拋丸量為25kg/s、拋丸速度為3m/min，來清除材質為08MnNiVR的鋼板時，拋丸前后的機械性能變化見表5。

由表5可見，拋丸后機械性能幾乎沒有變化，彎曲性能也相差不多。由于拋丸后鋼板表面有一層0.5～1.0mm左右深的硬化層，使其布氏硬度略有提高。

表5 材質為08MnNiVR的鋼板拋丸前后機械性能變化

4.3 變形的控制

在儲罐施工中，經(jīng)常會遇到預制設計對某圈罐壁進行單面防腐的要求。在對板材進行拋丸除銹時，若因為要求單面防腐而只對板材進行單面的拋丸處理，板材會因為單面受磨料撞擊而使單面表面積增大、溫度升高，導致鋼板局部波浪變形，影響工藝安裝的施工質量，如圖2所示。

圖2 單面拋丸除銹變形示意圖

所以在對大型儲罐罐壁板進行拋丸除銹時，不論設計是否要求雙面防腐，都要進行雙面拋丸除銹，以使板材兩邊受力及受熱均勻，防止板材變形。