一种海水管道防腐技术的应用研究

2020-12-07许建豪吴昌岳

冶金动力 2020年11期

许建豪，吴昌岳

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.湖南邦泽科技有限公司，湖南湘潭 411201）

前言

中国南海区域属热带和亚热带季风气候，海风强劲，防腐环境恶劣，每年因腐蚀造成的损失非常大。沿海企业海水管道内壁，遭受海洋高氯海水（Cl-含量18 000 mg/L，流速2 m/s）环境影响，内壁钢构的腐蚀速率极快；同时，海水中附着污损生物也对金属表面有着很强的破坏作用，微生物中的硫酸盐还原菌也促进钢管的腐蚀。传统防腐涂料或外加阳极辅助防腐技术效果不佳，涂层破损脱落，使管道腐蚀泄漏,见图1。

图1 循环水管道腐蚀严重

为了延长海水管道使用寿命，针对海水管道腐蚀的特点，开展了海水腐蚀防护对策的研究，在理论研究和试验研究的基础上，提出了采用石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料的方法，通过实际应用达到了有效的防腐效果。

1 海水管道腐蚀的机理分析

1.1 海水的腐蚀机理

（1）海水是一种多种组分的水溶液，溶解有多种无机盐类，平均盐度约35‰，这使得海水成为天然的强电解质，具有导电的特性，海水的电导率越高金属材料的腐蚀越快。

（2）天然海水中含有大量的可溶性盐，其主要成分是氯化钠和硫酸盐，而Cl 能破坏大多数金属，如钢、铸铁、锌等表面的氧化膜。

（3）海水中还溶解有空气，使海水中有大量的溶解氧，溶解氧含量越高则造成的金属腐蚀将越严重。

海洋中的金属材料与上述介质间发生化学或电化学相互作用引起材料的破坏或变质，发生金属腐蚀现象。

1.2 海洋生物的腐蚀机理

在海洋金属上还附着有一些海洋生物，包括某些海洋动物、植物和微生物(如硫酸盐还原菌等)，它们会在金属表面生长繁殖，产生腐蚀性物质或促进电化学腐蚀，在钢结构表面造成点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀，其代谢物及尸体分解物中含有的硫化氢等酸性成分亦对金属的腐蚀起着加速的作用。某些海洋附着生物在生长过程中还能穿透金属表层的保护层，直接破坏保护涂层，引起严重的腐蚀。

2 石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料的特点及其机理

海水中的腐蚀性化学成分和海生物腐蚀性代谢产物是导致海水管道快速腐蚀的主要原因。采用正确的防腐涂料避免海水和金属管道接触，同时避免海洋生物在管道表面附着，能够有效地解决管道腐蚀问题，延长海水管道使用寿命。

2.1 石墨烯防腐蚀机理及缺点

石墨烯防腐涂料不但适用于石油天然气输送、石油化工、桥梁工程和造船行业等强腐蚀性环境，同时也适用于山区石方段、碎石土壤、定向穿越、海底管道等苛刻的腐蚀环境，是一种非常理想的新型防腐涂料。[1]

2.1.1 石墨烯片层结构优势

(1)片层结构使涂料具有很强的抗渗透性，原因是石墨烯的片层结构能有效地填充和封闭环氧树脂干燥后产生的微孔,使空气、水以及外部环境中的真菌细菌难以通过环氧树脂孔隙渗透到基体中,以通过更好的密封性阻隔外界环境的接触而实现更有效的防腐,充分保护基体。[2]

（2）石墨烯的强度和硬度较高，片层结构镶嵌在环氧树脂中能有效地提高涂层的力学性能，从而提升涂层的耐磨性和耐冲击性。

2.1.2 石墨烯抗污性能优势

（1）石墨烯本身具有抗菌性，其原因有两点：一是石墨烯对细菌有细菌毒性，即细菌与石墨烯接触时石墨烯片层边缘可以进行更好的电荷转移，从而影响细菌的细胞质平衡，从而杀死细菌。二是细菌与石墨烯片层锋利的边缘接触时会引起细菌细胞膜的损伤从而杀死细菌。参见图2。[3]

（2）石墨烯填充的涂层表面光亮滑爽，不易粘结污染物，具有优良的憎水抗垢性，疏水的表面粘有的部分污染物会被陆地环境雨水或者海水环境中的海水等冲刷带走。

图2 石墨烯有效抑制大肠杆菌生长

2.1.3 缺点

石墨烯作为无机材料填充于涂料中，存在着在树脂中分散性不好的缺陷，很难与有机聚合物混合均匀。

2.2 钛纳米防腐蚀特点

钛具有较低的电极电位，表面容易被氧化成致密的TiO2膜而表现出优良的耐腐蚀性能。钛无毒、密度小、比强度高，可作为涂料添加剂使用。纳米级钛粉的耐腐蚀性能更强，将其添加到涂料中会大幅提高涂料的防腐性能。[5]钛纳米在涂料中的性能优势主要体现在以下几个方面：

(1)纳米粒子可以提升涂层抗渗透性：纳米粒子的表面效应、小尺寸效应、体积效应等特点使钛纳米颗粒与高分子聚合物形成化学交联而成为一个网络整体，同时复合石墨烯超强的抗渗透性能，使得涂膜更致密，抗渗透性更强。

(2)金属钛本身耐蚀优势：钛本身耐蚀能力强，号称“海洋金属之王”，涂膜在腐蚀介质浸泡过程中不易被破坏，涂层稳定不易与介质反应形成孔洞及各类阴极膨胀产物。

2.3 石墨烯包覆钛的工艺优势

石墨烯填充于涂料中存在着在树脂中分散性不好的缺陷，而纳米钛粉的小尺度效应使得钛粉在树脂中的分散性非常优良，而通过石墨烯片层结构来包覆钛纳米颗粒，使得石墨烯在树脂中的分散性得以提升，从而有效地解决石墨烯分散性不佳的缺陷。其防腐原理示意图如图3。

图3 石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料防腐原理图

3 石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料应用研究

针对海水腐蚀的特点，选择中国南海区域某厂腐蚀严重的海水循环水管道开展应用研究。在设备年修期间，对腐蚀严重的海水管道、弯头等部位采用石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料进行防护。

3.1 前处理

按照Sa2-2.5 级标准喷砂，粗糙度控制在40～75 µm，局部腐蚀坑及缝焊、法兰连接不平整表面采用专用无溶剂修复腻子进行填平，表干1 h 后进行下一步。

3.2 喷涂

第一道涂层添加20%专用渗透型稀释剂，采用高压无气喷涂机全面薄喷一遍，厚度控制在100～150 µm，干燥4 h后进行下一步。

第二道涂覆采用专用双组份无溶剂高压无气喷涂机或滚涂，厚涂达到一遍200 µm，干燥4 h 后进行下一步。

第三道涂覆采用专用双组份无溶剂高压无气喷涂机或滚涂，厚涂达到一遍200 µm。

因循环水管汇合处、循环水管与循环泵接口处水流急，压力大，因此采用涂层加厚处理方法，重复上述步骤，涂层加厚至600～700 µm，此处采用耐磨型无溶剂钛合金纳米重防腐涂料（BZ-7513）。施工完毕后，自然干燥不低于24 h实干。

图4 石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料涂覆后

3.3 应用结果

将涂覆有石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料的海水循环水管道进安装使用一年后，在设备检修期间，进入管道内部检查。检查发现涂层表面附着良好，无脱落、开裂、锈蚀情况发生，海生物附着明显减少，其效果图如图5。

图5 石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料试用结果

对比部分不做涂料涂覆的不锈钢管道、人孔盖处发现，经过一年的海水冲刷，管道腐蚀严重，海洋生物大量生长堆积，其结果图如图6。

图6 未经防腐处理的管道

从以上结果可知，在石墨烯与钛纳米颗粒的协同防腐作用下，石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料有效保护了基体，经过海水长期浸泡、冲刷，石墨烯包覆钛纳米重防腐涂料始终与基体保持较强附着力，未出现腐蚀、剥落情况。并且涂层表面始终保持光滑特性，使得海洋生物不易附着生长，体现出了极佳的防污性能。与原有陶瓷涂料及外加阳极辅助防腐体系相比，更适合海水循环水管道防腐。