保温层下防腐涂层的选择和验收试验

Acceptance Testing for Coatings in Insulated Service

作者:Michael F. Melampy  翻译:王向农

(本文译自美国《Journal of Protective Coatings and Linings》2017年3月刊)

 

 

保温材料通常用于节能、过程控制或者人员安全防护,保温层下腐蚀CUI是在保温层下发生的一种加速腐蚀。在化学加工、炼油、化肥生产与发电工业中,许多高温或者低温设施都需要采用绝热保温材料,因而都存在保温层下腐蚀的风险。一般情况下,这些保温材料是采用机械方法固定在容器或者管道上的,并且,保温层外面用金属薄板或者塑料材料防护,防止保温材料受到外来机械损伤,同时阻止水分渗入保温层下面。

然而,水和含盐污水会通过外面的保护层渗透进入保温层,并最终接触碳钢表面。存在腐蚀电池的情况下,如果环境温度超过100℃,金属就会加速发生腐蚀,而保温层里含盐污水蒸发会增大电解质浓度,从而加速腐蚀。此外,装置计划内或者计划外停工,也会加速保温层下腐蚀。

保温层下腐蚀能够造成金属材料严重损坏,导致生产设备腐蚀穿孔。 因而可能造成高压蒸汽泄漏或者原油和天然气泄漏,引发火灾或者爆炸事故,由此造成巨大的财产损失,人员伤亡,系统停产,危害环境和公众健康。所有这些都会使相关企业的业主和股东造成巨大的经济损失。

防腐措施

如果恰当选择设备金属底材、防腐涂料、保温材料和外防护层材料,保温层下腐蚀是可以防止的。当然,最好是设备尽量不要用保温层,除非考虑到系统节能、工艺以及人员安全防护,绝热保温是必不可少的。没有绝热保温层的设备也需要防腐,但比有保温层的设备容易得多,也耐用得多。首要问题与成本有关,既要降低建设成本,又要采用完美合理的设计。

可以采用特种合金和其他结构材料防止保温层下腐蚀。在有些场合,如果保温设备事故风险很高,或者维修保养非常困难,就必须采用这类材料。虽然合金材料价格昂贵,但它确实能够有效防止腐蚀,也无需长期维修保养。

防腐涂层是业主和工程师通常采用的方法,当然,这需要将防腐涂层、保温层和外面的机械防护层有机组合成一体,才能有效防止保温层下腐蚀。三者就像三角支撑,缺一不可。本文重点讨论防腐涂层的选择,包括适用的涂料类型和施工方法。工程师应当根据初始成本和设备寿命期成本的综合分析结果,确定防腐涂料的选择。

涂料的选择

许多绝热设备表面温度低于150℃,在这样的温度下,保温材料很少会干透。对于150℃以下的操作环境,保温层下的防腐涂层应当能够耐受长时间的浸泡用途,当然是沸腾水的持续浸泡。对于150℃以上的操作环境,在沸腾水和间断性浸泡用途中,涂层应当维持防腐功能。

所有保温层下的防腐涂层应当能够承受操作温度范围内温度激增式的热冲击和冷热交替式的热循环。工程师应当了解工艺装置特殊的热力学问题,这是非常重要的。通常都是根据最高操作温度选择涂料。设计温度通常会考虑到这个最高操作温度,包括事故停机期间以及管道设备内壁用高压蒸汽清洗时出现的反常温度。工程师要确保设计温度准确无误,既不低估,也不夸大。

有许多类型的涂料可以用于防止或者减少腐蚀电池的形成。各种不同的配方使涂料具有不同的性能,包括硬度、流动性、润湿性、成膜性、渗透性和耐化学特性。涂料经过改良,能够耐受较高的温度,但仅仅限于树脂粘合剂系统可以实现的某种程度。与无机涂料相比,有机涂料适合的最高操作温度比较低,因为有机材料容易发生降解。

腐蚀工程师应当向操作工了解设备管道的实际操作情况,包括工艺发生波动时出现的峰值温度或者其他特殊操作情况。例如,操作工知道生产管道和容器需要定期用高压蒸汽清扫,才能确保生产效率,才允许进行现场检查。高压蒸汽对系统的温度影响取决于装置采用的蒸汽来源,通常可以高达230℃,并持续24至48小时,保温层下的防腐涂层就要长时间暴露在这样高的温度下。从经营管理考虑,停机时间当然越短越好,炼厂和石油化工企业可以选择使用氮气吹扫,清除工艺系统里残留的水分,这种情况下,系统管道会受到温度激增式的热冲击。所以,腐蚀工程师选择防腐涂层前,应当充分考虑到这些影响因素,与操作工一起进行可行性评价。

 选择防腐涂层时,还要考虑涂料里使用的填充料与颜料,这也是很重要的。有的采用陶瓷类填充料,有的采用金属类填充料。锌粉和铝粉可以用作金属颜料,同时也可以对碳钢材料起到牺牲阳极保护作用,但是,存在腐蚀电池时,这些锌粉和铝粉会被消耗掉。云母氧化铁和玻璃鳞片这样的陶瓷类填充料有助于起到屏蔽防护作用,发生腐蚀时,它们是不会被消耗掉的。由于玻璃鳞片形成层状结构,增强了涂层的抗渗透性,从而增强了涂层的屏蔽防护作用。许多涂料里含有缓蚀剂,也有助于防止金属腐蚀。

保温层下适用的防腐涂层

 多年来,腐蚀工程师认为,如果系统连续操作温度高于120℃,设备表面是不需要防腐涂层的。因为人们认为这样高的温度下,不会存在水,也不会形成腐蚀电池,所以就不会发生腐蚀。然而,事实上,系统突发事故或者进行维修保养时,需要定期或不定期停用生产管道,此时管道温度低于120℃,如果发生泄漏或者设备表面生成大量冷凝水,设备管道就开始腐蚀了。而且,保温材料往往吸水并在保温层里保留大量水分,这样,即使在系统运行期间,这么多的水也会降低生产管道的温度,从而引起腐蚀。此外,保温层外面的机械保护层往往是很薄的镀锌铁皮,很容易损坏,这样就会有更多的水进入保温层。所以,许多腐蚀工程师现在认识到,保温系统也需要采取更多的防腐措施。不过,依然有人认为,如果操作温度高于175℃,管道设备就不需要防腐涂层。如果腐蚀造成管道穿孔事故,有的企业就采取更换管道的方法来解决。

 

保温层下的腐蚀环境

美国全国腐蚀工程师协会技术标准NACE SP 0198《控制保温层和防火材料下的腐蚀–系统方法》可以作为不同温度范围内常用防腐涂料的使用指南。表1归纳了此项技术标准推荐的常用防腐涂料适用的最高温度。

表1 常用防腐涂料适用的最高温度

系统代码 防腐涂料类型 钢材表面除锈等级 适用温度范围℃ 涂敷遍数与DFT干膜厚度(密耳)
CS-1 厚膜型环氧涂料 SSPC-SP 10 -45℃至60℃ 2遍/10密耳
CS-2 熔结环氧粉末涂料 SSPC-SP 10 -45℃至60℃ 1遍/12密耳
CS-3 环氧酚醛Phenolic SSPC-SP 10 -45℃至150℃ 2遍/10密耳
CS-4 环氧酚醛Novolac SSPC-SP 10 -45℃至200℃ 2遍/12密耳
CS-5 TSA热喷铝 SSPC-SP 5 -45℃至600℃ 12密耳
CS-6 无机共聚物,惰性多重聚合物结构 SSPC-SP 10 -45℃至50℃ 2遍/10密耳
CS-7 薄膜凡士林或胶粘带 SSPC-SP 10 -45℃至60℃  
CS-8散装或有车间底漆的无机锌 有面层涂料 不适用 -45℃至400℃ 各种各样

 

表2 保温层下腐蚀环境分类

保温层下腐蚀环境类型 最低温度 ℃ 峰值温度范围
CUI-1 -45℃ -45℃至60℃
CUI-2 -45℃ -45℃至150℃
CUI-3 -45℃ -45℃至200℃
CUI-4 -45℃ -45℃至450℃

 

表2所示是参照表1这些技术标准数据和现场经验编制的保温层下腐蚀环境的分类。注意表2中的最高温度是450℃,因为很少有使用防腐涂层的环境高于这个温度的,当然,涂料制造商与用户之间最好就特定的试验温度达成一致。

 表2所列温度适用于连续峰值温度范围和周期性变化的峰值温度范围。设备的操作条件决定了保温层下腐蚀环境的类型,这是以操作期间底材的最高温度和蒸汽清扫或停机维修时的反常温度为基础的。并且,这些环境分类关注的是峰值温度范围,而不是总的温度范围。这很重要,因为经验表明,即使防腐涂层能够满足高温条件下的性能要求,它们也未必可以满足常规温度下的性能要求。所以,设计使用和试验温度350℃温度的防腐涂层,可能在90℃温度下使用寿命很短并且会很快失效,而环氧酚醛这样的防腐涂料在110℃温度下性能优良,但在350℃温度下就可能失效了。

试验

保温层下的防腐涂层必须耐受多项挑战,诸如很高的温度、冷热交替变化、温度激增式的热冲击、持续高温,达到100℃的沸水浸泡等。本文提议的试验方法不适合无机锌这类牺牲型防腐涂料,也不适合孔隙度小于200微米的热喷铝涂层,在潮湿环境下,它们极易发生腐蚀。这些试验方法也不适用于胶粘带,因为胶粘带有专门的测试方法。

标准耐候性试验

防腐涂料的耐候性试验是非常重要的,因为这些涂料会用在新建装置上,这些装置的设备、管道等安装完成后,可能需要等待很长时间才会正式投入使用。此外,鉴于装置加热升温运行一段时间后可能会停用或者封存,所以,必须用耐候性试验评价防腐涂层的耐用性。

准备试验挂片时,有的试验挂片上应当涂敷有关防腐涂料并按规定进行调整,有的试验挂片涂敷防腐涂料后,还要加热调整。按照表3不同保温层下腐蚀类型要求,试验挂片要加热到最高操作温度并保持20小时,接着空气冷却4小时,如此冷热交替循环需要进行十次。最后,按照表4所列的验收标准进行试验。此外,除了需要符合ISO 12944-6-1998《油漆和清漆–用防腐油漆系统保护钢结构 –第6部分:实验室性能试验方法》标准要求外,还要满足ISO 2409《油漆和清漆–划格法附着力试验》标准和ISO 4624《油漆和清漆–拉脱法附着力试验》标准中0 – 2MPa或5 MPa(可以采用其他条件)的验收标准。

 

 

表3  耐候性试验和试验持续时间

  

保温层

下腐蚀

类型

ISO 9227中性盐雾 ISO 2812-2水浸泡 ISO 6270-1水冷凝
试验持续时间(小时) 试验持续时间(小时) 试验持续时间(小时)
碳钢 碳钢 碳钢
有人工划痕 有人工划痕 没有人工划痕
涂敷并调整 加热调整 涂敷并调整 加热调整 涂敷并调整 加热调整
CUI-1 1,440 1,440 3,000 3,000 480 480
CUI-2 1,440 1,440 3,000 3,000 480 480
CUI-3 1,440 1,440 - - 480 480
CUI-4 1,440 1,440 - - 480 480

 

表4 耐候性试验的验收标准

试验方法 保温层下腐蚀类型 ISO4628-2 ISO4628-3 ISO 4628-4 ISO4628-5 ISO4628-8
ISO 9227 CUI-1 CUI-2 CUI-3 CUI-4 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) 2/2
  CUI-1 CUI-2 - - 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) 2/2
  CUI-1 CUI-2 CUI-3 CUI-4 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) -
评估时间(试验结束后) 立刻评估 < 8小时

(译者注解:ISO 4628-2 起泡等级;ISO 4628-3 锈蚀等级;ISO 4628-4 开裂等级;ISO 4628-5 剥落等级

ISO 4628-8 划痕周围分层剥离与腐蚀等级)

冷热交替循环试验

保温层下的防腐涂层应当在其适用温度类型范围内能够耐受冷热交替循环变化。此项试验包括将试样加热到该类保温层下腐蚀的最高温度,然后浸泡在水里,直至温度降到最低温度(表5)。

 

表5 冷热交替循环变化试验和验收标准

保温层下腐蚀类型 最低温度 最高温度 循环次数 ISO 4628-2 ISO 4628-3 ISO 4628-4 ISO 4628-5
碳钢
CUI-1 5℃ 60℃ 20 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0)
CUI-2 5℃ 150℃ 20 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0)
CUI-3 5℃ 204℃ 20 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0)
CUI-4 5℃ 450℃ 20 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0)

(译者注解:ISO 4628-2 起泡等级;ISO 4628-3 锈蚀等级;ISO 4628-4 开裂等级;ISO 4628-5 剥落等级)

保温层下腐蚀试验方法

使用温度高于100℃的系统设备保温层下的防腐涂层,还必须通过下列试验,证实其能够经受住沸水、水蒸气和干燥交替变化并且间歇浸泡在水里的长期使用条件。保温层下多相腐蚀循环试验是实际可行的,如果选择比较容易掌握的试验方法,有助于确定防腐涂料的最低要求。此项试验可以重现装置上发生的情况。一般来讲,如图1 所示,此项试验程序包括以下设备。

 

 

图1 保温层下多相腐蚀循环试验的试验设备

1-4 Coating samples- all four sides with scribe on one side 样品四个侧面都有防腐涂层,其中一侧有人为划痕

Oil heater and recirculating pump (close-loop system) 热油加热器和循环泵(密闭回路系统)

Steam ports水蒸气接口 View port 观察孔 Chamber lid 试验箱盖 Solution chamber 溶液箱

Auxiliary heater 辅助加热器 Peristaltic pump 软管蠕动泵 Solution 溶液

 

密闭回路热油加热器采用一根方形管。表面温度一般达到150℃或者180℃。管子四侧外表面涂敷要接受试验的防腐涂料。一次可以同时测试几种防腐涂料。

每星期要进行15次循环试验,每个试验循环包括4小时干热环境,4小时湿热环境,48小时(冷的)周围环境,这样的试验循环过程一共要重复进行六次。

湿法循环试验要使用5%浓度的氯化钠盐水溶液,用泵把盐水溶液送入试验管周围箱体内,使方形试验管的下半部分浸没在溶液里,同时加热溶液使其沸腾,直至最终完全干透(大约需要3.5小时).

此项试验只适合于温度高于100℃的保温层下腐蚀环境,所以,仅仅适用于CUI-2、CUI-3和CUI-4这几种类型。CUI-2保温层下腐蚀类型进行试验时,热油加热器的温度可以设定在150℃,CUI-3和CUI-4保温层下腐蚀类型进行试验时,热油加热器的温度可以设定在180℃。业已证实,对于保温层下防腐涂层,180℃的试验温度是最好的考验,测试效果最好。试验温度如果过高或者过低,都不足以使涂料充分退化变质,无法达到理想的测试结果。六个星期的试验结束后,应当按照表6确定的验收标准,完成试验挂片的评价。

表6 保温层下多相腐蚀循环试验箱

保温层下腐蚀类型 保温层下多相腐蚀循环试验温度 ISO 4628-2起泡等级 ISO 4628-3锈蚀等级 ISO 4628-4开裂等级 ISO 4628-5剥落等级 ISO4628-8腐蚀等级
CUI-2 150℃ 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) 2/2
CUI-3 175℃ 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) 2/2
CUI-4 175℃ 0(S0) Ri 0 0(S0) 0(S0) 2/2

 

任选试验项

 超低温制冷用途的试验包括从-196℃至该保温层下腐蚀类型的最高温度的冷热交替变化循环试验,温度应循环变化多次,防腐涂层应当承受由此发生的热胀冷缩。根据有关方面的协商意见,可以增加进行其他项目试验。

结论

按照美国NACE SP 0198标准和峰值温度范围进行保温层下腐蚀环境分类时,涂料制造商、腐蚀工程师、施工方和业主应当对保温下防腐涂层的要求达成一致意见。有关各方应当根据特定的温度范围共同确定试验项目和验收标准。

 目前,业主不得不参照各家涂料制造商的测试结果,选择适合保温层下使用的防腐涂料。与此同时,业主应当根据自己积累的经验,制订相应的试验程序。允许第三方测试实验室参照这些试验程序进行测试,证实这样的防腐涂层可以满足相关试验要求,提供相应的合格证书。这样,业主可以在不同的涂料中进行选择,满足其最起码的要求。这些试验方法可以作为业主的验收依据,当然,将来还要进一步改进这些试验方法,最终达到降低成本和在现场改进保温层下防腐涂层性能的目的。