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我国石化行业首次系统研讨保温层下防腐问题

日期:2016-07-08
    多年以来,我国石化行业对保温层下的腐蚀(Corrosion Under Insulation,CUI)问题一直未能引起重视,在研究保温的领域只关注保温层,在研究防腐的领域只重视腐蚀,从而忽视了保温层下的防腐问题,并引发了许多安全事故。据业内人士介绍,保温层下腐蚀其实在装置里面的低压蒸汽管道最为常见,有人曾经做过专项调查,80%管线在运行15年后,保温层里面的防腐底漆都掉光,结果在保温层下造成腐蚀非常严重,大多是粉化脱落,均匀减薄。

  包覆有保温层管道和设备的使用寿命与CUI有很大的关系,CUI 的隐蔽性和高危害性已经给工业生产带来了严重的经济问题和安全问题。随着工业特别是石化工业的高速发展,有关CUI 的问题越来越突出,由于CUI 所导致的损失也越来越大,因此,研发新型高效防护涂层及保温材料,最大程度地减少CUI的发生,在CUI问题上实现经济效益、环境效益和安全效益的多项统一具有非常重要的意义。

  2014年7月9-10日在上海,美国NACE国际与中海油常州涂料化工研究院共同主办的Bring on the Heat China国际研讨会(中国防火和耐高温技术年会)上,将在国内首次组织对CUI问题的专题研讨。其中,来自美国的PPG工业公司防护及船舶涂料业务发展总监Michael MeLampy 将发表《NACE SP0198标准与保温层下的腐蚀防护》和《用于筛选CUI防护涂料的系统化质量检测规程》两篇关于CUI主题报告演讲;来自英国Felling的阿克苏诺贝尔国际油漆(IP)耐高温涂料全球市场经理Adam Ovington将发表题为《保温层下的涂料防腐蚀应用》的主题报告演讲;佐敦公司中国区研发中心特种涂料研发主管刘冬平将代表公司CUI专家Michelle Ystad Eriksen发表题为《保温层下腐蚀的实验室测试方法》演讲;英国ULVA保温系统公司Ng Hen Tat将发表题为《使用灵活的非金属绝缘层——应对保温层下的腐蚀》演讲;中国石油炼化企业腐蚀与防护工作中心、中国石油兰州石化公司研究院材料防腐研究所高级工程师郭金彪将发表《国内石油炼化行业保温层下腐蚀问题现状》主题演讲;公安部四川消防研究所研究员覃文清将发表《钢结构防火涂料防腐性能的研究》主题演讲。

  在世界各国的石化行业中,每年因为保温层下钢结构的腐蚀造成的损失可达数十亿美元,可能造成设备的故障与停工,产品的泄漏,以及部分炼油、化工厂的维修成本的大量增加,严重的甚至可能造成伤亡事故。但是在上世纪50年代之前,保温层下的腐蚀从未被系统地研究过。随着一些保温层下腐蚀造成的严重事故的发生,特别是保温层下一旦发生腐蚀,所涉及的管道和设备必须停工来检查故障,这将造成众多不可预知的经济损失。因此自从1983 年之后,如何保护保温层下的钢结构免受腐蚀,也成为了涂料行业亟需攻克的一个难题。目前国际上对CUI非常重视,已经有完整的解决方案,比如在线监测、在线修复、单向膜等技术都比较成熟。

  保温层下腐蚀是指对于高温保温或低温保冷的钢结构管道、储罐或设备,由于其外表面被保温层所覆盖,在正常运行尤其是发生热循环的条件下,由于保温层下的水分发生冷凝,从而造成局部的电解质溶液聚集,进而引起钢材腐蚀。

  保温层下腐蚀的严重性在于无法及时发现。一般为了美观效果,在做完保温层后往往在保温材料外面包覆一层不锈钢或铝箔。因此,往往看到保温层下腐蚀的时候已经太迟了,经常导致各种失效事故的发生。尤其是当运行温度低于150℃时,保温层下往往会存在一定量的冷凝水。另外,保温层下设备在建造期和定期的检修时间内也会形成腐蚀发生的微环境。

  研究表明:发生保温层下腐蚀的概率在设备运行5年以上后将大幅上升,而运行10年后的保温层中60%都含有腐蚀性冷凝水。对于石化行业而言,保温层下的腐蚀还有其特殊性,就是由于石化行业涉及到很多不同工艺,因此在保温层下的钢结构往往还要经历热循环的过程。而对于传统高温涂料而言,由于热膨胀系数与钢铁的不同,经历热循环往往导致涂层内应力增加,最终造成涂层的早期失效。

  美国腐蚀工程师协会NACE 综合了各方面的研究成果,于1998 年正式出版了NACE RP0198-1998 来规范保温层下腐蚀的防护问题。NACE RP0198-2004提出保温层下防腐最为有效的方法是采用高性能涂料。

  对于保温层下的腐蚀,传统的高温涂料,如硅酮铝粉漆等由于膜厚偏低,耐高温性能优异但是防腐性能有限。因此不太适合于设计防腐年限较长的低温保温层防腐。而以前许多石化行业在保温层下使用无机硅酸锌防腐,近年来研究表明:在60~120℃条件下金属锌可能与铁发生极性反转,并且在50~150℃水中锌反应迅速,因此NACE RP0198 规定,在50~150℃的保温层下禁止使用无机硅酸锌涂料进行防腐。

  专家研究认为,保温材料是对容器和管道进行隔热保温的重要组成部分,是包裹在管道或设备外面的第二道屏障。合理地设计和安装高质量的保温材料以及正确的维护可以有效地提高对CUI的防护效率。保温材料分为疏水性和亲水性,疏水性保温材料按原理又分为自身疏水(泡沫玻璃) 和加入化学添加剂疏水(如WRG岩棉、Pyrogel XT等);而常用的亲水性材料有岩棉、硅酸钙等。CUI是金属长期暴露于潮湿环境中的产物,因此,贮存水分最少并且干燥速率最快的保温材料可以有效地减少CUI带来的伤害。研究表明,在CUI的温度范围内(-4~1175℃),吸水性材料会加速CUI速率,而疏水性材料则可以抑制CUI速率,但疏水性材料的实际工程应用并不广泛,一方面是由于其价格比亲水性材料高很多,另一方面是缺少不同保温材料间系统的对比数据(尽管已有工厂使用疏水性材料,并有效地减缓了CUI,但是鉴于各个工厂的保温材料的数据多是与工厂的实际工况及设备紧密联系在一起的,故不能隔离开来作为单独的实验数据),这使得高效的疏水性保温材料没有得到广泛的推广。

  实践表明,几乎没有保温材料可以避免CUI。一方面保温材料与金属表面间的环形空隙以及设备和管道外表面本身的缺陷都可以收集水分和腐蚀性介质,从而使得其聚集和浓缩,增强腐蚀性,另一方面保温材料本身具有水溶性、渗透性和可湿性,材料内部和外界的腐蚀污染物(氯化物、硅酸盐等) 都会随着水分的进入而溶解,加大腐蚀液浓度,加速腐蚀速率。因此,常要求保温材料可浸出Cl-含量要小于10 mg/kg,有些保温材料会在加工制造时期加入腐蚀抑制剂来预防CUI。但后来的工程实例表明,随着腐蚀抑制剂循环性地溶入水中后再干燥,抑制剂会被水分带走,因此,加入腐蚀抑制剂的保温层跟不加腐蚀抑制剂的保温层效果基本相同;加入疏水剂的保温材料可以提高对CUI的防护,但是不同疏水材料对水分的贮存能力不同,其干燥速率也不相同,贮水能力更强的材料,干燥时间也更久,其发生CUI的风险也更大。

  金属表面外防护涂层从物理上隔断了潮湿腐蚀环境和污染物与金属表面的直接接触,能够在一定程度上预防基体金属发生腐蚀。CUI发生的环境条件决定了所采用的防护涂层要具有防腐蚀性、抗氧化性、耐热性以及热循环抗性;高温条件下不降解、能承受热膨胀和收缩引起的应力;能在较低的表面预处理要求下快捷高效地进行喷涂并与基体良好地结合;能够为基底材料提供足够的屏障来抵抗存在的腐蚀性污染物以及热水和水蒸汽的腐蚀。不恰当的选择涂层或不合格的涂层很容易发生化学降解,使得水的渗透性增加,在这种情况下,即使涂层没有发生破损,也会增加水的渗入,发生CUI。因此,保温材料下防护涂层或保温材料外防护层的完整性和破损程度都直接影响CUI的发生。

  传统有机涂层和热喷铝涂层被广泛用于CUI的防护,但前者有时会出现涂层过早破裂所导致的严重CUI发生。因此,对于金属表面防护涂层,在实际应用时,应综合考虑最高运行温度、持续运行时间以及涂层推荐应用寿命来进行选择。

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