保温层下腐蚀及防护措施

2019-06-17

石油化工腐蚀与防护 2019年2期

(北京沃利帕森工程技术有限公司，北京 100012)

保温层下腐蚀(Corrosion Under Insulation，简称CUI)是指保温层覆盖下的金属管道或设备，在水和腐蚀性物质的参与下发生的腐蚀现象。CUI隐蔽性强，很难在第一时间发现，因而极易引发突发泄漏事故。一般运行5年后的设备或管道发生保温层下腐蚀的概率大幅上升，而运行16～20年的管道最容易发生泄漏[1]。CUI不仅造成产品泄漏、装置故障或停工及维修成本增加，甚至有可能发生伤亡事故。每年全球由于CUI所造成的损失高达数十亿美元[2]。在国内工程中，CUI一直未能得到普遍重视，或仅从保温层设计或防护涂层单一方面入手,因此从工程运营全周期对其进行全面分析很有必要。

1 CUI的发生机理

CUI的发生是水、污染物以及温度共同作用的结果。保温层下的水主要来自两个方面：(1)外界的水渗透及冷凝。由于外保护层的设计缺陷、某些部位施工不当及机械损伤等原因都会使水进入保温层。(2)保温层内蒸汽和热水伴热管的泄漏也是水的一大来源，同时，当金属表面温度低于介质露点温度时，水蒸气也会凝结在金属表面形成液态水。导致保温层下腐蚀的主要污染物有氯化物和硫酸盐等，污染物来自外部环境和保温材料，保温层所用的材料含有大量的无机盐(如硫酸盐、氯化物和氟化物等)。无机盐在水中大多有较高的可溶性，能增加水的电导率及腐蚀性。金属盐的水解会引起阳极区的pH值降低而导致局部腐蚀[3]。金属表面和保温材料间形成的薄层电解质溶液，为电化学腐蚀创造了必要条件。电化学腐蚀产物Fe(OH)3和Fe3O4较为疏松，腐蚀介质能顺利穿过腐蚀产物并继续腐蚀金属本体,因此金属表面某处一旦发生腐蚀，就会不断地发展下去[2]。

腐蚀介质的浓度、氧含量及温度都会影响CUI速率。最容易发生CUI的温度范围是-4～175 ℃。当温度低于-4 ℃时，一般没有腐蚀；而在温度高于175 ℃时，金属表面温度足够保持其干燥，也很少发生腐蚀。在达到水的沸点之前，温度每升高15～20 ℃，腐蚀速率就会增加一倍。周期性的温度变化，会导致腐蚀介质的不断浓缩和聚积，加剧了该区域的腐蚀。

工程设计中往往较多关注了碳钢的腐蚀，而忽视了不锈钢和合金钢的腐蚀。不锈钢和合金钢的腐蚀不易被发现，但其腐蚀比碳钢腐蚀更危险。碳钢和低合金钢在保温层下的腐蚀常表现为均匀腐蚀和点蚀;奥氏体不锈钢在保温层下的腐蚀为应力腐蚀开裂和点蚀。循环通过水露点的操作工况对应力腐蚀开裂特别敏感：低温时存在的水，在高温时蒸发，每次温度循环，水中溶解的氯化物盐类都会在表面浓缩[3]。对应力腐蚀开裂最敏感的不锈钢是18-8不锈钢。高镍、铬、钼奥氏体不锈钢和低镍、高铬含量的双相不锈钢在保温层下不易发生应力腐蚀开裂[4]。

2 CUI的防护措施

2.1 防护层设计

外防护层能有效阻止或阻挡外部水分及腐蚀介质的进入。外防护层有金属和非金属两大类,外防护层选择需要综合考虑成本、环境腐蚀性及操作温度等因素。工业应用最广泛的金属防护层有镀铝、镀铝锌、铝皮和不锈钢。在海洋性气候条件下，空气相对湿度大，空气中盐分含量较高，保温层下腐蚀较严重。工程实践表明，碳钢镀铝锌在海洋性气候条件下抗腐蚀性能较好。

只有防护层结构设计合理，才能有效阻止外部水分进入保温层，可参考相关工程设计手册。该文仅以保温盒为例介绍防护层设计的要点：连接处应搭接以降低外部水分进入的可能性，搭接后接缝应涂抹密封胶，盒盖上部应保持倾斜以便于排水，阀门盒底部应设置排水孔等。管道保温盒设计见图1。

图1 保温盒设计

工程设计还应注意以下几点：(1)管道布置间距应合理，留足保温空间，充分考虑管道之间，管道和其他设施之间的间距，特别关注保温盒所占空间；(2)减少管道设备保温开口，开口越多水和污染物侵入保温层中可能性越大;(3)设备附件应避免出现穿透保温层的结构和导致水分滞留的外形结构;(4)装置应设置合理通道，以免维护人员踩踏保温外皮。

2.2 保温材料选择

保温层是水及电解质扩散的通道，选择合理的保温材料能有效降低CUI的影响。保温材料分亲水型和疏水型两大类，疏水型保温材料分为自身疏水 (泡沫玻璃) 和加入化学添加剂疏水 (如WRG岩棉),常用的亲水型材料有岩棉和硅酸钙等。工程实践表明，吸水性材料会加速CUI速率;而自身干燥速率快、贮存水分少的保温材料可以有效降低CUI。保温材料的选择，还应结合考虑材料的经济性、导热性能、使用温度限制、抗压强度及施工性能等因素。

任何保温材料都无法阻止CUI发生[5]，主要是由于：(1)防护层结构所决定。防护层上必然存在开口，保温材料与金属表面之间必然存在间隙，提供了水和腐蚀介质的进出通道；(2)保温材料本身的组成所决定。保温材料具有可湿性、水溶性和渗透性；(3)保温材料自身带入污染物,在保温材料变潮或受湿后，污染物从保温材料中渗出，随着水分向金属表面扩散。

2.3 防腐蚀涂层选择

保温层下防腐蚀最为关键的措施是金属表面涂覆高性能防腐蚀涂层。防腐蚀涂层从物理角度隔断了水及污染物向金属基体表面的扩散，是降低CUI的有效措施。

有机涂层是工程中应用最广的的防腐蚀涂层，其原理主要是通过有机涂层与金属基体形成良好的粘结层来阻挡水及电解质向金属表面的扩散；防腐蚀性能主要取决于涂层与金属基体的粘结强度和涂层抵抗水及侵蚀性离子渗透的能力。耐高温涂层一直是CUI研究的重点，防腐蚀耐高温涂层体系及特性如下[3]：

(1)环氧树脂体系，适用于温度较低处，耐酸性一般，涂层较硬。

(2)环氧酚醛体系，适用温度可至250 ℃，是常用的耐高温涂料，其电绝缘性良好，耐水及抗一般化学品腐蚀性能较好，但机械性能较差。

(3)有机硅树脂体系，适用温度可至600 ℃，是常用的耐高温涂料，其高亮度、高硬度耐磨及绝缘性能好，但耐碱性差，在高温下可能会产生回粘。

(4)无机共聚物体系适用温度可超过1 000 ℃，其具有较高的耐热性、导热系数低及电绝缘性好，但使用成本较高，常用于超高温工况。

新型涂层技术在CUI预防中也得到了广泛的应用，其中包括热喷铝和冷喷铝等。热喷涂技术是利用氧燃料或喷射电弧，将喷涂材料加热至半熔融或熔融状态，通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，形成喷涂层。美国腐蚀工程师协会研究表明，热喷铝涂层能有效预防碳钢的CUI，对设备的防护寿命达到20～30年。冷喷铝涂层，主要成膜物质是钛改性无机共聚物，片状金属铝，能充分发挥屏蔽保护作用。冷喷铝涂料在高温情况下，尤其是热冲击或热循环工况条件中，表现出了优异的防腐蚀性能。转化膜新技术、渗铝技术已成功应用于长输管防腐蚀工程中。

金属表面防腐蚀涂层的选用，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。工程设计中可参考相关标准，如HG/T 20679—2014《化工设备管道外防腐设计规范》及美国腐蚀工程师协会(NACE)最新标准NACE SP0198—2010《保温层下和防火材料下面腐蚀控制》。NACE SP0198—2010从腐蚀机理、结构设计、保温材料选择及防腐蚀涂料选择等方面非常详细地介绍了CUI的产生和预防手段，列出了部分针对不锈钢以及碳钢表面防腐蚀处理的涂层体系,具有极强的指导意义。

2.4 检测与维护

CUI具有隐蔽性和偶然性。有效的检测和维护，能最大程度地降低和减缓CUI的发生。除目视检测外，常用的检测方法有: X射线或γ射线背反射;深度渗透涡流(厚壁)、微波和红外成像等。涡流技术在带防腐蚀涂层检测技术中报道较多，其原理是基于磁感应将保温层下出现腐蚀或微裂纹通过涡流大小显现出来。对目视检查腐蚀严重的，在测厚检测的基础上，还应辅以蚀坑测量、光谱分析及X光成相等技术手段，准确评定腐蚀程度和评估风险。对不易检查和检查费用较高的管线(如塔附属管线)可采用导波检测。

维护应重点关注易发生CUI的部位[6]，主要包括：(1)冷却塔溢出水影响区域；(2)暴露于湿气或酸气、液体溢溅及Cl-含量高区域；(3)蒸汽排放点附近；(4)保温层系统分支或开口部位，如管线的支吊架和高低点放空等;(5)包覆层、防潮层及防腐涂层老化的部位；(6)保护层接缝处水平上半部和密封搭接不严实的部位；(7)保护层脱落或损坏的部位； (8)竖管保温的终端；(9)保温层下法兰、螺栓和其他附件；(10)设备穿透保温层的部位(如支腿、管口、支架及铭牌等伸出部位)和水分容易滞留的部位等。维护还应重点关注对工厂安全运行影响大的高温高压和有毒有害管道设备的CUI状况。