某鈾礦山離子交換塔防腐襯里選材研究

王振北，王 庫，王向榮

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

在中國鈾水冶行業(yè)中，根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境，化工設(shè)備的非金屬襯里材料多種多樣，有襯陶瓷、襯高分子塑料、襯玻璃鋼等[1]。非金屬襯里既能解決介質(zhì)腐蝕問題，也可大幅節(jié)約設(shè)備制造成本；但隨著使用時間的延長，襯里腐蝕老化行為凸顯，嚴(yán)重者甚至影響正常生產(chǎn)。

某地浸鈾礦山服役的離子交換塔，其襯里材料為聚烯烴(Polyolefine，以下簡稱PO)[2-3]，運(yùn)行不到一年即發(fā)生襯里局部脫襯、磨損變薄、被腐蝕穿孔等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備被腐蝕失效，多塔停止運(yùn)行。為此，基于該離子交換塔介質(zhì)成分，選取不同材料的襯里進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，選出適用于該礦山離子交換塔的襯里材料，為設(shè)備的長期良好運(yùn)行和礦山的正常生產(chǎn)提供保障。

綜合考慮施工、造價(jià)和耐腐蝕性能等因素，選取PO、環(huán)氧玻璃鋼(型號為E44)、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001等5種材料進(jìn)行試驗(yàn)。參考《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》(JB/T 7901—1999)[4]，依據(jù)《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》(GB/T 5210—2006)[5-6]、《色漆和清漆 耐磨性的測定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》(GB/T 1768—2006)[7-8]、《色漆和清漆 涂層老化的評價(jià) 缺陷的數(shù)量和大小以及外觀均勻變化程度的標(biāo)識》(GB/T 30789—2015)[9-10]，進(jìn)行試板腐蝕試驗(yàn)，通過對比腐蝕試驗(yàn)前后材料的附著力大小、耐磨性和老化程度等，對5種材料進(jìn)行研究，選出最優(yōu)襯里材料。

1 試驗(yàn)部分

環(huán)境溫度為23 ℃，相對濕度為50%。

試板：1)未經(jīng)腐蝕的鋼襯PO、環(huán)氧玻璃鋼、玻璃鱗片、ANTO1001、ANTO6001試板若干塊；2)腐蝕后的鋼襯PO、環(huán)氧玻璃鋼、玻璃鱗片、ANTO1001、ANTO6001試板若干塊(來自1.1試驗(yàn))。上述兩組試板的基材均用120目的砂紙進(jìn)行手工打磨處理后再進(jìn)行襯里，試板均來自同一廠家、同一批次，尺寸均為100 mm×100 mm，襯里厚度均為3 mm。

1.1 試板腐蝕試驗(yàn)

將以PO、環(huán)氧玻璃鋼、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001材料為襯里的試板浸泡在試驗(yàn)介質(zhì)中，模擬離子交換塔內(nèi)部腐蝕條件，研究5種材料在介質(zhì)中的腐蝕行為。

1.1.1 試驗(yàn)條件

生產(chǎn)中，離子交換塔內(nèi)溫度約為20～25 ℃；塔內(nèi)介質(zhì)主要為100～120 g/L的硫酸，并含微量氯離子。為取得較明顯的試驗(yàn)效果，確定試板腐蝕試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度為23 ℃；試驗(yàn)介質(zhì)為含有硫酸和氯離子的溶液，其中硫酸質(zhì)量濃度為200 g/L，氯離子質(zhì)量濃度為1 g/L。

主要試驗(yàn)設(shè)備有恒溫箱和電子稱。試驗(yàn)材料主要包括掛片試板、無水乙醇以及試驗(yàn)介質(zhì)。

1.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)條件用無水乙醇對試板進(jìn)行除油、除水，待干燥后，稱量各試板質(zhì)量并記錄；然后將試板按材料分別固定在不同的支架上，各試板間留有一定間距；將固定好試板的支架放入恒溫箱中，加入試驗(yàn)介質(zhì)，使試驗(yàn)介質(zhì)液面超出試板30 mm，靜置90 d。試驗(yàn)期間每7 d更換1次溶液，試板不做處理；試驗(yàn)結(jié)束后，取出試板，用無水乙醇除油、除水并干燥后稱重，觀察試板形貌變化，備用。

1.2 附著力試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備為萬能材料試驗(yàn)機(jī)。隨機(jī)選取腐蝕后和未經(jīng)腐蝕的每種材料試板各6塊。

1.2.2 試驗(yàn)方法

對試板進(jìn)行拉開法附著力試驗(yàn)。

使用單試柱法，將直徑為20 mm的試柱用AB膠黏結(jié)在試板表面，固化后圍繞試柱將試板切割至底材，然后將試板固定在試驗(yàn)機(jī)上，施加拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力以0.8 MPa/s的速度穩(wěn)步增加，直至襯里或試柱被破壞，記錄破壞力并計(jì)算破壞強(qiáng)度。破壞強(qiáng)度的計(jì)算公式為

σ=F/A，

(1)

式中：σ—破壞強(qiáng)度，MPa；F—破壞力，N；A—試柱面積，mm2。

1.3 耐磨性試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

主要試驗(yàn)設(shè)備：泰伯耐磨儀；砝碼；天平(精度0.1 mg)。

1.3.2 試驗(yàn)方法

對試板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法耐磨試驗(yàn)，隨機(jī)選取腐蝕后和未經(jīng)腐蝕的每種材料試板各3塊。試驗(yàn)壓力負(fù)載為1 000 g，砂輪型號為CS-10，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為60 r/min，運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)為1 000 r。分別記錄試驗(yàn)前后各塊試板的質(zhì)量。

1.4 老化評定

隨機(jī)選取腐蝕后和未經(jīng)腐蝕的每種材料試板各3塊，對試板進(jìn)行老化評定試驗(yàn)。應(yīng)用目測法進(jìn)行起泡、生銹、開裂和剝落等級評定；應(yīng)用膠帶法進(jìn)行粉化等級評定[9]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試板腐蝕前后外觀形貌變化

腐蝕試驗(yàn)前后，襯PO和襯ANTO1001的試板外觀未發(fā)生明顯變化；其余3種材料試板的形貌變化如圖1～6所示?？梢钥闯觯阂r環(huán)氧玻璃鋼的所有試板的內(nèi)部基材完全被腐蝕(圖1、圖4)，且表面由淺黃色變?yōu)榘导t色，顏色的變化是因?yàn)閮?nèi)部金屬基材被滲入的介質(zhì)腐蝕產(chǎn)生了氧化鐵；有2塊襯環(huán)氧玻璃鱗片試板的表面和邊緣出現(xiàn)開裂(圖2、圖5)，導(dǎo)致內(nèi)部基材被腐蝕，其余4塊的一角有開裂現(xiàn)象，說明在介質(zhì)作用下，環(huán)氧玻璃鱗片易出現(xiàn)裂紋；6塊襯ANTO6001的試板內(nèi)部基材被完全腐蝕，且襯里在棱角部位完全斷裂，出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象(圖3、圖6)，說明ANTO6001材料在局部曲率變化較大的部位易產(chǎn)生開裂。

圖1 襯環(huán)氧玻璃鋼試板腐蝕前后形貌變化

圖2 襯環(huán)氧玻璃鱗片試板腐蝕前后形貌變化

圖3 襯聚氨酯涂料ANTO6001試板腐蝕前后形貌變化

圖4 襯環(huán)氧玻璃鋼試板基材被腐蝕情況

圖5 襯環(huán)氧玻璃鱗片試板被腐蝕情況

圖6 襯ANTO6001試板基材被腐蝕情況

通過試板腐蝕試驗(yàn)可以得出：PO和ANTO1001材料的耐腐蝕性能最好；ANTO6001材料可耐介質(zhì)腐蝕，但在局部拐角處易斷裂，給襯里施工帶來一定難度；環(huán)氧玻璃鋼和玻璃鱗片材料的耐腐蝕性能差，易被介質(zhì)滲透造成基材被腐蝕，從而導(dǎo)致設(shè)備被腐蝕失效。

2.2 試板腐蝕前后附著力變化

試板腐蝕前后附著力試驗(yàn)結(jié)果見表1。由于襯環(huán)氧玻璃鋼和襯ANTO6001試板內(nèi)部基材被完全腐蝕，因此未進(jìn)行襯環(huán)氧玻璃鋼和襯ANTO6001試板腐蝕后的附著力試驗(yàn)。由表1可看出，未經(jīng)腐蝕的試板襯里的附著力從大到小依次為襯ANTO1001、襯ANTO6001、襯環(huán)氧玻璃鋼、襯玻璃鱗片、襯PO；腐蝕后襯里的附著力從大到小依次為襯ANTO1001、襯PO、襯玻璃鱗片。襯玻璃鱗片的破壞類型為涂層的內(nèi)聚破壞，而其余4種材料的破壞類型均為涂層與膠黏劑間的附著破壞[5]。襯PO與襯ANTO1001腐蝕后破壞強(qiáng)度增大，可能是由于溶脹作用使得材料密度增加，進(jìn)而增強(qiáng)了與膠黏劑之間的黏接強(qiáng)度導(dǎo)致破壞增強(qiáng)。襯玻璃鱗片腐蝕后破壞強(qiáng)度降低，與其破壞類型有關(guān)，說明其材料內(nèi)部可能存在高分子鏈的斷裂行為。綜上所述，5種襯里材料中，ANTO1001的附著性能最好。

表1 腐蝕前后襯里附著力對比

2.3 試板腐蝕前后耐磨性變化

考慮到不同材料的密度不同，試驗(yàn)中將其磨耗量折算為體積磨損。5種襯里材料腐蝕前后的耐磨性試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯?，腐蝕試驗(yàn)后，環(huán)氧玻璃鋼的耐磨性明顯降低；而其余4種材料的耐磨性有不同程度提高，說明材料表面可能發(fā)生了溶脹。結(jié)合腐蝕后試板的形貌變化可以得出，環(huán)氧玻璃鋼被腐蝕情況最為嚴(yán)重，ANTO1001腐蝕試驗(yàn)前后的耐磨性均為最佳。

表2 腐蝕前后襯里耐磨性對比

2.4 試板老化行為對比

腐蝕試驗(yàn)后，5種襯里材料的老化行為見表3?？梢钥闯觯?種材料未發(fā)生明顯的起泡、剝落和粉化現(xiàn)象；但襯環(huán)氧玻璃鋼的試板發(fā)生了嚴(yán)重的生銹，襯玻璃鱗片的試板發(fā)生了不同程度的開裂現(xiàn)象。PO、ANTO1001和ANTO6001材料的抗老化性能基本滿足要求。

表3 腐蝕后襯里材料的老化行為評定

3 ANTO1001材料耐腐蝕性驗(yàn)證

通過上述試驗(yàn)，得出ANTO1001的耐介質(zhì)腐蝕性能最優(yōu)。為進(jìn)一步驗(yàn)證材料的耐腐蝕性，將ANTO1001應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。由于離子交換塔原襯PO材料的清除難度大，因此將ANTO1001材料涂刷于原PO襯里之上，先后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

3.1.1 附著力驗(yàn)證

附著力測試內(nèi)容與1.2相同，在襯PO試板上涂刷ANTO1001材料后進(jìn)行試驗(yàn)。測量得出，ANTO1001在PO上的附著力達(dá)到了2.25 MPa，大于PO在鋼板上的附著力(1.40 MPa)，因此ANTO1001涂刷在PO基礎(chǔ)上，使得PO更加不易脫襯。

3.1.2 局部耐腐蝕驗(yàn)證

考慮到2種材料的交界處易發(fā)生介質(zhì)滲入而產(chǎn)生ANTO1001與PO脫襯，試驗(yàn)驗(yàn)證了襯PO層局部涂刷ANTO1001材料的耐腐蝕情況，腐蝕試驗(yàn)前后試板形貌如圖7所示?？梢钥闯?，腐蝕試驗(yàn)前后試板表面未發(fā)生明顯變化，且在2種材料交界處未發(fā)生脫襯現(xiàn)象。

圖7 鋼襯PO基礎(chǔ)上局部涂刷ANTO1001

3.2 生產(chǎn)現(xiàn)場驗(yàn)證

將一段新管件首先襯PO，然后在PO基礎(chǔ)上涂刷ANTO1001涂料，并在法蘭處做翻邊處理；然后將管件安裝在離子交換塔底部出料管路上進(jìn)行測試。

離子交換塔正常運(yùn)行1年后，將管件拆卸，管件受介質(zhì)腐蝕情況如圖10所示?？梢钥闯觯朔ㄌm翻邊處有局部脫襯外，ANTO1001涂料整體耐腐蝕效果較好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了ANTO1001涂料的優(yōu)異性能。

圖8 鋼襯PO管件涂刷ANTO1001

4 結(jié)論

PO、環(huán)氧玻璃鋼、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001在腐蝕試驗(yàn)前后的附著力變化不明顯，腐蝕前后耐磨性除環(huán)氧玻璃鋼外均有所提高。ANTO1001涂料的耐腐蝕性能、附著力性能、耐磨性以及抗老化性最優(yōu)；PO材料的附著力和耐磨性欠佳，是造成離子交換塔襯里脫落、腐蝕穿孔的原因。環(huán)氧玻璃鋼材料容易被介質(zhì)滲透，造成嚴(yán)重腐蝕。玻璃鱗片和ANTO6001在曲率小的局部易產(chǎn)生開裂，進(jìn)而造成基材腐蝕。

通過實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了ANTO1001涂料的耐腐蝕性能較好，研究結(jié)果為離子交換塔防腐選材提供了方向。