李晓炜¹，于慧文¹，段永锋¹，方瑶婧²，骆惠²，张雷³

（1. 中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003；

2. 佐敦涂料（张家港）有限公司，江苏 苏州 215000；

3. 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏 常州 213016。）

摘要：在实验室模拟保温层下腐蚀环境，针对不同的配套涂层体系开展了横置式方管和竖立式圆管循环腐蚀试验，筛选了不同涂层的耐保温层下腐蚀性能，并对方管和圆管试验评价方法进行了对比和分析。结果表明，普通环氧酚醛漆、玻璃鳞片增强环氧酚醛漆以及惰性无机共聚物漆具备良好的耐保温层下腐蚀性能，含有机硅铝粉的涂层体系由于较薄的干膜厚度未通过测试。此外，相比于圆管试验，方管试验的试验条件更为苛刻，对不同涂层的筛选性更佳。

关键词：保温层下腐蚀；方管循环腐蚀试验；圆管试验；涂层体系。

前 言

为最大程度减少热量损失、保证工艺温度以及避免人身伤害，炼化企业往往对设备及管道实施保温结构。保温层下腐蚀（CUI，corrosion under insulation）是指由于水分的进入，导致保温层下金属材料发生腐蚀或应力腐蚀开裂的现象，目前已成为影响炼化装置安全稳定运行的热点、难点之一。由于外部保温结构的存在，使得保温层下腐蚀具有隐蔽性强、检测难度大以及检测成本高等特点^[1,2]，一旦发生腐蚀泄漏会对装置运行、安全生产构成较大危害，对企业效益和人身、社会安全造成重大损失^[3,4]。

保温层下腐蚀发生的最主要原因保温结构破损后水分的进入引起保温层下金属发生的电化学腐蚀。具备物理阻隔性能和耐腐蚀性能的涂层体系被认为是保温层下腐蚀防护的最有效办法^[5]。当前，炼化企业用于保温层下的防腐蚀涂层配套往往缺少保温层下工况的性能评价数据，尽管HG/T 5178和ISO 19277等国内外标准对保温层下防腐蚀涂层的性能要求及评价方法（方管试验和圆管试验）做出了详细规定，但并未得到良好的应用和执行，仍有部分学者仅采用圆管试验方法用于保温层下防腐蚀涂层的耐腐蚀性能评价^[6-8]。

本文通过选用若干常用涂层配套，分别采用方管和圆管两种模拟保温层下工况的腐蚀评价方法，用于适用于保温层下涂层配套体系的筛选，同时对比两种评价方法的优势和不足，为保温层下防腐蚀涂层体系的选用及性能评价方法提供参考依据。

1  试 验

1.1  试验方法

（1）方管循环腐蚀试验

图1展示了方管循环腐蚀试验装置示意图。将两个底材为碳钢的方形钢管左右两侧各涂覆两种不同的配套涂层（图1中用不同颜色示意），并对单个侧面进行划×处理。之后放置于横置式循环腐蚀箱的干/湿室中，再泵入5 wt%氯化钠溶液，液面位置不低于方管划线面的1/3。设定通过方管的导热油温度为175℃，然后进行42d（1008h）的热循环试验。共进行六个周期，每个周期7 d（168h），每次循环为[（4h干状态、4h湿状态）/8h]，共循环15次，循环120h后关闭加热盘，清洗实验槽和方管，时间为48h。此为一周期。每周期结束后取出方管各面进行外观形貌观察及老化评级。

图1  方管循环腐蚀试验示意图及实物图

（2）圆管循环腐蚀试验

圆管循环腐蚀测试在包裹有保温结构的圆管上进行，见图2。底材为涂覆有不同涂层配套体系的碳钢圆管，四周包覆硅酸钙保温结构，并将导热铝棒放入圆管中。试验前在保温套内倒入1%质量分数的NaCl溶液，并静置10min。设定加热板温度为280℃后开始加热，记录圆管壁面17个热电偶测温点的温度数据。加热8h后趁热在保温套内倒入1%质量分数的NaCl溶液，然后静置16h，此为1次循环。每周5次循环，第五次循环后室温放置48h，此为一个周期。六个测试周期（总计42d）结束以后，取出圆管进行外观形貌观察及老化评级。

图2  圆管循环腐蚀试验示意图及实物图

方管和圆管循环腐蚀试验单循环周期（7d，168h）的简明示意见表1。

表1  循环腐蚀试验168h循环简明示意

1.2  试验材料

选取6组常用的涂层配套体系进行试验，详细信息见表2。其中，涂层配套1的底漆和中间漆选用环氧云铁涂料，为目前炼厂大气腐蚀环境涂层配套中最常用的中间漆。配套2和配套3均为保温层下腐蚀环境中常用的环氧酚醛漆，其中配套3在环氧酚醛漆中添加了经过比例优化的玻璃鳞片，以期提高环氧酚醛涂层的耐高温和耐保温层下腐蚀性能。配套4、5均含有炼化企业高温部位常用的有机硅铝粉漆，涂层配套体系分别为无机富锌漆+有机硅铝粉漆和有机硅铝粉漆*2，配套6为一种无机陶瓷惰性共聚物耐高温漆。

表2  试验涂层配套体系

2  试验结果

2.1  方管循环腐蚀试验

图3为175℃条件下方管循环试验后各涂层配套体系的外观形貌。由结果可知，对于受试的所有涂层，浸没在液相面的变色、开裂、锈蚀和脱落等老化程度明显高于气相面。其中，配套涂层1的浸液面在试验后出现了大量裂纹，未通过测试。配套2和配套3涂层均匀平整，四面均未发现开裂、剥落和锈蚀。配套4和配套5中均含有有机硅铝粉漆，其中配套4为无机富锌漆+有机硅铝粉漆，配套5为两道有机硅铝粉漆，从试验后的结果来看，两种涂层配套的浸液面均发现不同程度的起泡和锈蚀，划×处均有涂层脱落，锈蚀和起泡，表明有机硅铝粉漆不具备良好的保温层下耐蚀性能。其中配套5液相面布满了密集的锈蚀孔，边缘处涂层大面积剥落，露出的金属基底已严重腐蚀，而配套4腐蚀程度相对轻微，涂层的老化严重程度为配套5＞配套4。因而，选取无机富锌作为底漆能够一定程度上提升有机硅铝粉漆涂层的耐蚀程度，但相较其他涂层体系仍不具备良好的耐蚀性能。

有机硅铝粉的配套涂层虽具备优异的耐高温性能，但耐腐蚀性能严重不足。其原因是有机硅铝粉涂层干膜厚度较低，一般要求其不超过40μm，因此为达到一定膜厚需要较多的施工道数，导致其高温条件下极易开裂^[4,9]。而当设备或管道停工检修温度低于100℃时，涂层由于较差的防腐性能极易失效。此外，有机硅铝粉涂层中添加的无机富锌在温度高于60℃时易发生阴极翻转，使碳钢由阴极转为阳极^[10]，不能起到保护底材的作用，加剧了碳钢底材的腐蚀，故配套4、5均不建议用于保温层下的涂层体系。配套2、配套3和配套6的液相面未发现明显的涂层老化现象，整体符合测试要求，耐蚀性能良好。方管循环腐蚀试验后，所有涂层各测试面的性能评价情况见表3。

图3  方管试验后各浸没相中的涂层形貌变化

表3  方管试验涂层性能评级情况

2.2  圆管循环腐蚀试验

图4为不同涂层配套体系在280℃圆管试验后的外观形貌。其中涂层配套1、配套2和配套3圆管底部均发生了一定程度的变色。除配套5圆管外，其余涂层体系圆管与加热盘接触的底部高温位置涂层剥落和锈蚀长度均在3mm以内，锈蚀等级≤Ri1，涂层表面无明显开裂、起泡和剥落，满足HG/T5178中280℃条件下的试验要求，在圆管试验中表现了良好的耐保温层下腐蚀性能。涂层配套5，即纯有机硅铝粉涂层在圆管试验中的性能评价结果较差，底部位置涂层出现较大面积锈蚀，脱落长度约10cm，锈蚀等级＞Ri1，未能通过圆管测试。表4为不同涂层配套体系圆管循环腐蚀试验后的结果。

图4  圆管试验后涂层形貌变化

表4  圆管试验涂层性能评级情况

以涂层配套1和配套3为例，绘制圆管实验的每一个周期中第一个循环关闭加热前的温度梯度曲线，对比测试不同阶段圆管各点的温度变化及差异，结果如图5所示。可以看出，随试验周期的进行，后期温度梯度较前期差异较大。其中第一个试验周期各点的温度梯度明显，但自第二周期开始，配套1、配套3圆管的各测试点温度相较于第一周期大幅降低，最大分别降低了59%和61%。这是由于随着圆管试验的进行，保温层中含盐水量不断增加，导致各点温度不断下降，这与实际中保温层下含水后的工况较为一致。

图5  涂层配套1（左）及配套3（右）圆管实验温度梯度曲线

3  分析讨论

综合各涂层体系在方管及圆管试验中的评价结果（见表5），可以看出，配套2、配套3和配套6涂层体系在两种条件的循环腐蚀试验中均展现良好的保温层下防腐蚀性能，即普通酚醛环氧漆、玻璃鳞片增强酚醛环氧漆以及惰性无机共聚物具有良好的保温层下工况防腐蚀效果。配套1和配套4仅通过圆管测试、未通过方管测试。而配套5在圆管和方管试验中均未通过测试，说明有机硅铝粉涂层由于较薄的干膜厚度，不适用于保温层下防腐涂层的配套体系。

表5  不同评价方法的试验结果对比

通过对比方管和圆管的试验结果可以看出，在280℃圆管试验中表现良好防腐性能的涂层配套体系，未必能通过175℃方管循环腐蚀测试，如配套1和配套4。而在圆管试验中防护效果较差的涂层，在方管试验中同样性能表现较差，如配套5。其原因是，方管试验方法可以同时实现全浸条件、气相条件、半浸条件、划叉面、温度交替等多个方面的评价，可以更好地模拟现场保温层下多种界面条件的腐蚀工况，具有较好的筛选性，可用于区分不同涂料配套的耐腐蚀性能；但设备相对较为复杂，辅助上其它相关测试，可以对保温层下腐蚀进行较好的评估。相对而言，圆管试验设备相对简单，应用温度范围更高，但是相对横管较为稳定的参数循环，圆管方法中如温度、含水量等的参数设置相对动态，针对多界面评价的试验条件相对缓和，筛选能力也相对较差，因此经圆管测试的涂层配套体系多数合格。

二者测试方法均有相关国内国际企业多年应用评估经验，目前标准HG/T 5178中关于两种评价方法的要求为任选一种，而实际上两种方法的试验结果差别较大。但哪种更为适合或需更进一步的改进，仍需要更多的研究。

4  结 论

采用方管和竖立式圆管循环腐蚀试验方法，考察了多种配套涂层体系在保温层下腐蚀工况的耐腐蚀性能，并对比了两种方法的优势和不足，结果如下：

（1）普通酚醛环氧漆、玻璃鳞片增强酚醛环氧漆以及惰性无机共聚物均能通过两种方法的循环腐蚀测试，具有良好的耐保温层下腐蚀性能。

（2）纯有机硅铝粉耐热漆在保温层下腐蚀工况明显耐腐蚀性能不足，富锌类涂料用于大气腐蚀环境的涂层体系具有良好的耐腐蚀性能，但用于保温层下腐蚀工况会因锌粉的阴极反转而出现起泡的老化问题，因而不能用作保温层下环境的涂层防护体系。

（3）方管试验方法能够可以更好地模拟现场保温层下多种界面条件的腐蚀工况，相对于圆管测试方法具备更佳的涂层筛选能力。

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作者简介：李晓炜（1987-），男，高级工程师，2014年毕业于北京化工大学，硕士，现就职于中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，从事石油化工腐蚀与防护研究工作。