TRT叶根防腐涂料的性能研究

吴晓娴 郭文勇 代芳 李晓亮 郭有田

摘   要： 高爐煤气余压透平发电装置（TRT）在运行过程中，叶根密封部位易发生严重腐蚀。采样市售密封胶进行调研，初步筛选出可施工时间为0.25～0.5 h、固化时间大于1 h、耐饱和NH4Cl腐蚀的硅橡胶涂料，通过理化性能、耐腐蚀性和实际附着性测定，对涂料进行适用性评价。研究发现：1）理化性能方面，涂料的表干时间为40 min，实干时间为100 min;湿膜厚度为215 μm，干膜厚度为146 μm;涂料的不挥发物含量为97%（质量分数）和85%（体积分数）;涂料固化后，涂层的柔韧性较好;2）耐腐蚀性方面，将涂料制备成拉伸剪切试样，在100℃的饱和NH4Cl溶液中浸泡30 d后，拉伸剪切试板上硅橡胶涂层的颜色未发生改变，涂层与搭接试板的破坏方式均为附着破坏，拉伸剪切强度由1.13 MPa轻微下降至1.09 MPa;3）实际附着性方面，将涂料涂敷于叶根和榫槽之间，室温固化后将叶根从榫槽中推出，涂层对叶根和榫槽的覆盖率大于80%，可以对金属基材起到较好的保护作用。研究表明， 选用的硅橡胶涂料满足TRT的工况要求，可以用作叶根的防腐涂料。

关键词： TRT;叶根密封;硅橡胶;理化性能;耐腐蚀性;附着性

中图分类号：TQ638    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-006-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.002

引言

高炉煤气余压透平发电装置（简写TRT）是将煤气的热能转化为机械能进行发电，从而达到能量回收目的的一种节能装置。自1974年以来，高炉煤气余压透平发电过程中的除尘工艺由湿法除尘工艺逐渐转变为干法布袋除尘工艺，TRT也由原来的湿式装置相应改变为干式装置。

干式TRT的使用环境复杂，除了煤气中的硫酸根、氯离子等腐蚀介质之外，还有高炉炼铁除尘系统带来的大量粉尘。粉尘与腐蚀产物混合，对叶片和榫槽的相对滑动起到机械咬合作用，导致枞树型叶根的拆卸费时费力。在该工艺段，高炉煤气因膨胀做功，温度逐渐降低，煤气中酸性气体溶解在凝结水中，会在叶片表面形成一层酸性水膜，对叶片表面造成透水腐蚀。此外，动叶片的寿命一般为4～5年，更换较为频繁。为了便于拆装，动叶片的叶根与榫槽之间必须采用松装的装配方式，同时在根部涂抹高分子密封胶，以达到防止缝隙腐蚀、减振阻尼等目的。

基于以上需求，需筛选出能够满足以下要求的密封胶：可施工时间0.25～0.5 h，固化时间大于1 h，耐饱和NH4Cl腐蚀。针对TRT工艺环境，拟选用具有防腐效果的密封胶涂抹于叶根和榫槽部位，室温固化后能起到填充缝隙、耐温防腐的作用。

本文通过市售密封胶性能调研，首先按照上述要求，初步筛选出某涂料厂生产的硅橡胶涂料;然后通过试验，对涂料的理化性能、耐腐蚀性和实际附着性进行测定，从而对其在TRT叶根防腐的适用性进行评价。

1  涂料性能调研

20世纪90年代，文献[1]提出，在动叶片和静叶片根部刷涂#200环氧树脂对榫槽进行防腐处理可以起到较好的效果。但是，随着煤气发电技术的发展，TRT工艺环境愈加严苛，对密封材料的要求也越来越高。

国外某公司开发了单组分改性有机硅密封材料[2]。中高模量级密封胶的表干时间为0.5～5 h，最高拉伸应力为0.5～1.8 MPa，伸长率为200%～400%，邵氏硬度（Shore A）为20～40，使用期为6～12个月，满足工况环境对密封材料基本性能的要求。此外，该密封胶对被涂装物的振动具有良好的缓冲和适应能力。

我国开发的TS747高温密封剂为双组份反应型硅橡胶。该密封胶最高耐温350℃，拉伸强度为2～3 MPa，保质期为1年，具有优异的弹性、高温密封性，常用于汽轮机等的密封。我国研发的GD-955密封胶可在室温下固化，能耐200℃高温，可使用时间为15 min左右。但是，硅橡胶的耐腐蚀性有待测定。

调研可知，目前市场上大多数硅橡胶的固化时间过短，最长仅为30 min左右。许多耐候性涂料只能用于设备的外壁防腐，产品仅受到了耐盐雾测试，涂料的耐酸性未知。用于严苛环境（如脱硫装置、氯化铵生产装置等）的涂料多采用喷涂甚至高压/无气喷涂的方式进行涂装，而叶根和榫槽的结合部位并非平面，只能选择可以刷涂的涂料。通过大量调研，初步筛选出某涂料厂生产的硅橡胶涂料。下文对该涂料的理化性能和耐腐蚀性进行测试，并将涂料涂敷于模拟件上，观察涂料在叶根和榫槽上的附着性能，确认该涂料的适用性。

2  试验

2.1  原材料

硅橡胶涂料，某涂料厂生产。

2.2  主要仪器及设备

（1）电子万能试验机（CMT4104），美特斯工业系统（中国）有限公司生产;

（2）电液伺服万能试验机（WAW-1000），上海华龙测试仪器有限公司生产;

（3）TF1-18/160型酸化釜，大连科茂实验设备有限公司生产;

（4）JC101-2AD型电热鼓风干燥箱，南通嘉程仪器有限公司生产;

（5）QTY-32型漆膜圆柱弯曲试验仪，天津圣鑫达机器设备有限公司生产;

（6）L360型涂层测厚仪，深圳吉泰自动化技术有限公司生产;

（7）电子天平（ME204E），瑞士梅特勒公司生产;

（8）六角湿膜梳（MRIE-Z4141），英国易高公司生产。

2.3  评价方法

（1）表干时间：按照GB/T 1728-1979[3]标准进行测定（试验方法为接触法）。

（2）实干时间：按照GB/T 1728-1979[3]标准进行测定（试验方法为刀片法）。

（3）湿膜厚度：按照GB/T 13452.2-2008[4]标准进行测定。

（4）柔韧性：按照GB/T 6742-2007[5]标准进行测定。

（5）干膜密度：按照GB/T 9272-2007[6]标准进行测定。

（6）不挥发物含量：按照GB/T 9272-2007[5]标准进行测定。

（7）耐腐蚀性：试验温度为100℃，试验时间为30 d，腐蚀介质为饱和NH4Cl溶液（用HCl调节pH至3）。要测量的试件按照GB/T 7124-2008[7]标准进行制备。

（8）模拟拆卸试验：将硅橡胶涂料涂敷在模拟件的叶根和榫槽上，固化一周后将叶根从榫槽中推出，观察涂层对叶根和榫槽的附着情况。

3  结果与讨论

3.1  理化性能

硅橡胶涂料为灰色单组分涂料。将涂料涂敷于马口铁板上，室温固化形成涂层，固化后的涂层形貌如图1所示。

经测定，涂料的表干时间为40 min，实干时间为100 min。涂料的不挥发物含量为97%（质量分数）和85%（体积分数）。固化前，涂料的湿膜厚度为215 μm，密度为1.14 g/cm3;固化后，涂层的干膜厚度为146 μm，密度为1.3 g/cm3。

硅橡胶涂层弯曲后形貌如图2所示。涂料固化后，涂层的柔韧性较好。

假设涂料的固化分两步依次进行：首先是小分子物质挥发（物理变化），之后是涂料分子发生交联（化学变化）。在固化过程中，马口铁板上的涂层无损耗，因此，涂层的厚度与体积始终成正比例关系。涂料在马口铁板上的涂敷面积为60 cm2，涂覆厚度为215 μm，因此，涂料体积为1.29 cm3。在涂料的第一步固化过程中，只有小分子物质的挥发，因此，涂层的厚度与体积均为固化前的85%，涂层的质量为固化前质量的97%。通过质量和体积，可计算出涂层密度。第二步，固化完成后，涂料的各项参数均可直接测定得出。对比固化前后的涂料参数，如表1所示。由表1可知，固化过程中，挥发导致涂料质量减小了2.7%，交联导致涂料质量减小了22.4%。因此，涂层质量降低的主要原因是內部发生交联。同理可知，涂料的密度增加是由小分子物质挥发所导致的，体积下降则是二者共同作用的结果。

3.2  耐腐蚀性

腐蚀试验前后，涂层在拉伸剪切试板上的附着形貌分别如图3a和3b所示。由图3a和3b可知，腐蚀试验前后，拉伸剪切试板上硅橡胶涂层的颜色未发生改变，涂层与搭接试板的破坏方式均为附着破坏。但是，涂层与基金基材的结合强度降低，拉伸剪切强度由1.13 MPa轻微下降至1.09 MPa。腐蚀试验后，硅橡胶涂层的搭接剪切面积变小，这是由于涂料在固化过程中的交联程度较高，边缘的硅橡胶向内聚合，导致涂料与拉伸剪切试板的接触面积变小。

3.3  实际附着性

使用羊毛刷将涂料分别刷涂在叶根和榫槽上，之后将叶根推入榫槽中。室温固化一周后，将模拟件放置于电液伺服万能试验机上，施加压力将叶根缓慢推出。

拆卸后，叶根和榫槽的外观形貌分别如图4a和4b所示。可以看出，涂层对叶根和榫槽表面的覆盖度超过80%，可以对金属基材起到较好的保护作用。

4  结论与展望

TRT工艺的进一步发展对涂料的密封性能提出了更高要求，耐腐蚀、韧性好的室温固化涂料成为新材料的发展方向。本文通过对市售密封胶的调研，初步筛选出某涂料厂生产的具有高固化时间的硅橡胶涂料，然后通过测定涂料的理化性能、耐腐蚀性和实际附着性，得知该涂料满足TRT工况的要求，具体结论如下：

（1）硅橡胶涂料的基本理化性能满足工况要求，表干时间为40 min，实干时间为100 min;

（2）硅橡胶涂层的耐腐蚀性良好。腐蚀试验后，涂层的颜色未发生变化，与金属的拉伸剪切强度仅从1.13 MPa轻微下降至1.09 MPa。

（3）硅橡胶涂层对叶根和榫槽的覆盖率大于80%，具有较好的附着性能。

虽然具有行业针对性、可工业化量产的涂料种类仍然较少，但随着市场的不断扩大和我国对新材料研发的大力支持，防腐涂料行业资源将不断整合，具有市场影响力的高端密封胶将会被逐步开发出来。

参考文献

[1] 朱育元. TRT透平机的修复[J]. 宝钢技术， 1992（3）： 12-16.

[2] 敬松. 单组分改性有机硅密封材料[J]. 有机硅材料及应用， 1994（2）： 23， 26-28.

[3] 漆膜、腻子膜干燥时间测定法： GB/T 1728-1979[S].

[4] 色漆和清漆 漆膜厚度的测定： GB/T 13452.2-2008[S].

[5] 色漆和清漆 弯曲试验： GB/T 6742-2007[S].

[6] 色漆和清漆 通过测量干涂层密度测定涂料的不挥发物体积分数： GB/T 9272-2007[S].

[7] 胶粘剂 拉伸剪切强度的测定： 刚性材料对刚性材料： GB/T 7124-2008[S].

作者简介：

吴晓娴（1993—），通信作者，女，山西晋中人。主要研究方向：涂料防腐。

E-mail： 1272211810@qq.com

郭文勇（1982—），男，山西襄汾人。研究方向：表面处理、失效分析。

E-mail： gwy_007@163.com

代芳（1992—），女，陕西西安人。研究方向：表面处理。

E-mail： 1067301454@qq.com

李晓亮（1986—），男，陕西富平人。研究方向：六高气田非标压力容器制造及油气田工程建设。

E-mail： 386802628@qq.com

郭有田（1988—），男，陕西延长人。研究方向：压力容器和压力管道元件研发制造。

E-mail： 409641623@qq.com

（收稿日期：2020-09-04）