长输热网管道铝箔玻纤布反射层的腐蚀原因

纪国剑,郭晶晶,李 森,王政伟,薛瑞芳

(1. 常州大学 石油工程学院，常州 213164； 2. 常州大学 江苏省绿色过程装备重点实验室, 常州 213164; 3. 江苏龙英管道新材料有限公司，常州 213016)

铝的化学性质稳定，寿命长，铝箔本身不透光且表面具有金属光泽，对电磁波具有很强的反射作用，作为保温层材料可以极大地减少辐射热损失。铝可以在空气中自我钝化形成氧化铝保护膜，隔绝外界接触，从而使铝具有一定的耐腐蚀性能。

单独铝箔的强度、刚度、绝热特性并不太好，为提高其强度，发挥反热辐射作用，一般将铝箔和其他材料做成复合材料。铝箔延展成0.006～0.1 mm的薄层后很难单独形成空气间层，因此可将其依托在具有一定刚性的其他薄材(如玻纤布)上面。当铝箔厚度大于15 μm时，铝箔表面微孔消失，空气渗透、水蒸气渗透近似为零，可视为不透气材料[1]。这些优点使得铝箔的反射特性十分良好，可降低管道10%～15%的散热损失，被广泛用于蒸汽输送热网管道的保温[2]。但在铝箔生产中采用了轧制工艺，这就不可避免地产生针孔缺陷，导致水蒸气渗透过反射层进入内层的高温玻璃棉，与高温玻璃棉中的物质结合形成碱性水溶液，进而腐蚀铝箔，降低铝箔对辐射的反射效果，增大热量损失[3-5]。

某电厂热网管道铝箔玻纤布反射层的铝箔发生了腐蚀。本工作对反射层腐蚀形貌进行了观察，并采用X射线荧光光谱仪对腐蚀表面进行了元素分析和含量测定，分析了铝箔玻纤布铝箔侧腐蚀的原因，为减少铝箔表面腐蚀提供技术支持。

1 铝箔玻纤布表面腐蚀影响因素分析

铝箔表面与周围介质接触，发生化学或电化学反应后，在铝箔表面产生缺陷，被腐蚀的铝箔表面会失去金属光泽，严重时还会产生灰色腐蚀产物。铝箔玻纤布中的铝箔发生腐蚀有以下几种可能：1) 铝箔存放保管不当，由于气候潮湿或雨水浸入而引起腐蚀；2) 工艺润滑剂或接触材料(高温玻璃棉)中含有水分或呈碱性；3) 复合材料(玻纤布)成碱性[6]。

1.1 铝箔的影响

纯铝的强度不高，但可通过冷加工使强度提高一倍以上，另外可通过添加镁、锌、铜、锰、硅、锂、钪等元素对其进行合金化，再经过热处理使纯铝的强度进一步提高[7]。试验材料为牌号O-1235的合金铝箔，其中铝质量分数为99.35%，同时含有微量硅、铁、铜、锰、镁、锌、钒、钛等金属，铁硅质量比为0.25。铁硅质量比会直接影响铝箔细化晶粒和表面质量[8]及其耐蚀性[9]。

1.2 接触保温材料的影响

铝箔表面变色发黑的原因是高温玻璃棉中碱性氧化物(主要是氧化钠Na2O和氧化钾K2O，见表1所示)在水蒸气的作用下，与铝箔发生化学反应，生成了偏铝酸钠NaAlO2和偏铝酸钾KAlO2等，并在铝箔表面沉积，其化学反应如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 某型高温玻璃棉化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of a certain type of high temperature glass wool (mass fraction) %

1.3 玻纤布的影响

玻纤布主要由玻璃纤维和短线针刺无纺布复合而成，是一种性能优异的无机非金属材料，根据含碱量高低分为高碱布、中碱布和无碱布。目前,适用于热网的铝箔玻纤布多为中碱布，其含有一定量的碱金属氧化物，如Na2O，其作用机理与碱性玻璃棉相似。郝雪龙等[10]采用电位法测量了铝合金阳极氧化膜的耐碱腐蚀性能, 发现阳极氧化能够提高其耐碱腐蚀性能，但对点腐蚀的改善作用有限。

2 理化检验与结果

2.1 形貌观察

保温铝箔玻纤布反射层试样取自无锡某电厂蒸汽管道。该蒸汽管道已运行3 a，其外径为820 mm、厚度为10 mm，管内蒸汽温度为313～314 ℃，压力为1.088～1.109 MPa。该蒸汽管道主要采用了典型的硅酸铝针刺毯、高温玻璃棉、3款不同耐高温的铝箔玻纤布反射层和彩钢板等共14层复合保温结构，如表2所示。每层保温材料之间，有一层铝箔玻纤布反射层，以降低辐射散热量。

表2 无锡某电厂蒸汽管道的保温结构Tab. 2 Thermal insulation structure of steam pipeline of a power plant in Wuxi City

取样时发现靠近管道的内4层反射层的铝箔状态良好，无腐蚀现象发生，而最外2层反射层即第5层和第6层反射层的铝箔光面侧明显变暗，局部出现发黑或变白现象(白斑)，如图1所示，同时发现，与之接触的高温玻璃棉潮湿，且颜色变暗。虽然内层的耐高温铝箔玻纤布反射层长期工作在高温环境中，但水气很难渗透过多层的玻璃棉和铝箔玻纤布进入保温层内部，因此工作环境较为干燥;而最外的2层铝箔玻纤布反射层受环境温、湿度和高温玻璃棉的影响，因此表面发生大面积腐蚀，颜色明显变暗，局部发黑，腐蚀现象严重。

(a) 第5层铝箔玻纤布反射层

(b) 第6层铝箔玻纤布反射层图1 无锡某电厂热网用铝箔玻纤布反射层照片Fig. 1 Photographs of the 5th (a) and the 6th (b) reflective layers of aluminum foil with fiberglass cloth on heat-supply network of a power plant in Wuxi City

2.2 X射线荧光光谱分析

为深入研究铝箔玻纤布反射层发黑变暗的原因，采用岛津(SHIMADZU) EDX-8000能量色散型X射线荧光光谱仪(XRF)进行了表面元素定量分析。试验共测试了6个样，试样尺寸为15 mm×15 mm，试样来源及测试位置如表3所示。其中，试样O-1，O-2为全新未使用过的高温反射层，同时测试了正反两面，分别对应O-1铝箔侧和O-2玻纤布侧。

表3 铝箔玻纤布反射层试样Tab. 3 Reflective layer samples of aluminum foil with fiberglass cloth

由图2可见，试样5C-B表面存在多达12种金属元素。其主要原因如下：其一，铝箔玻纤布中使用的铝箔为西安铝业生产的O-1235型金属压延铝，材料本身含有微量硅、铁、铜、锰、锌等金属元素；其二，与铝箔紧密接触的高温玻璃棉中含有硅、钠、铝、钾、钙等金属元素的氧化物，这些氧化物会与铝氧化物发生化学反应，如氧化钙CaO与偏铝酸钠NaAlO2反应生成CaO·Al2O3会沉淀出来；其三，玻纤布中含有大量的硅和钙元素，在长期使用过程中，这些元素会通过铝箔的针孔渗透至铝箔光面侧。另外，在施工过程中，铝箔玻纤布通常以缠绕方式包覆在管道外壁，局部位置铝箔玻纤布会出现重叠，导致铝箔光面直接与内层的玻纤布接触。玻纤布中钙氧化物与铝箔中铝氧化物长期作用会发生化学反应，生成共生白色沉淀物，在铝箔表面沉淀并导致铝箔反射率下降。

图2 试样5C-B表面元素分析XRF谱Fig. 2 Surface element analysis XRF spectrum of sample 5C-B

表4给出了不同试样X射线荧光分析结果。结果表明，不同的铝箔玻纤布反射层表面主要元素为铝，其含量均在98%(质量分数)以上，同时含有多种微量金属元素；不同铝箔玻纤布反射层中各种微量元素成分会略有不同，其含量也会有微弱波动，如试样5C-B和5C-W，后者缺少了硫和钾元素。

3 腐蚀原因分析

对比第五层反射层局部发黑试样5C-B与局部发白试样5C-W的X射线荧光分析结果可知，后者的钙质量分数由0.53%增加到1.25%，增加了一倍多，钙主要来源于玻纤布。第6层反射层局部发黑试样6C-B与局部发白试样6C-W，也出现了相同的现象。新品试样O-1中钙元素含量也较低。导致铝箔玻纤布反射层发白的原因是铝箔表面生成了CaO·Al2O3等共沉淀物，且产物中的NaOH会进一步促进偏铝酸钠NaAlO2的形成，整个反应成恶性循环，其化学反应见式(5)～(8)。水蒸气的渗透为反应提供了水，加速了腐蚀的发生。

(5)

(6)

(7)

2NaOH

(8)

表4 不同试样X射线荧光分析结果(质量分数)Tab. 4 X-ray fluorescence analysis results of different samples (mass fraction) %

4 结论与建议

对无锡某电厂热网管道铝箔玻纤布反射层中铝箔腐蚀的原因进行了分析,得到如下结论并提出相应的建议：

(1) 铝箔与玻纤布缠绕时，重叠部分的玻纤布中钙氧化物会与铝箔中铝氧化物长期作用发生化学反应，生成共生白色沉淀物，在铝箔表面沉淀并导致铝箔反射率下降。在实际施工中，应尽量减少铝箔与玻纤布的直接接触，缠绕时应尽量避免重叠。

(2) 水蒸气的渗透会加速腐蚀的发生，建议保温管道外层玻纤布与彩钢板之间，增加一层防水薄膜。