芳烴裝置戶外鋼結構腐蝕與防護對策

曹文衛

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)作為特大型煉油、化工、化纖、塑料聯合企業，擁有大量鋼結構的生產裝置和基礎設施，這些裝置和設施處于海洋性大氣和工業大氣污染的環境下，腐蝕相當嚴重。尤其是近年逐步增加的進口含硫原油，使生產設備以及戶外鋼結構、管線支架、儲罐等的腐蝕環境和條件進一步惡化。4號芳烴裝置的戶外鋼結構、管線管架、平臺、梯子和扶欄等刷涂的防腐蝕涂層，往往使用1～2 a就過早失效，鋼結構黃銹斑斑，甚至穿孔和破裂，嚴重威脅了安全生產，也影響人身安全。

1 4號芳烴戶外鋼結構腐蝕現狀

廠區內平臺、扶梯、無保溫層管道和鋼結構等量大面廣，由于受海洋工業大氣侵蝕，且原有防腐蝕涂層多用醇酸漆、氯磺化乙烯漆和氯化橡膠漆，涂層脫落、起泡、銹蝕，總體陳舊，局部鋼基體腐蝕穿孔。典型腐蝕照片見圖1～2。

圖1 扶梯涂層脫落和銹蝕Fig.1 Escalator peeling coating，corrosion

圖2 鋼平臺起皮脫落銹蝕Fig.2 Steel platform peeling off the rust

2 戶外鋼結構腐蝕原因分析

2.1 腐蝕產物形貌及樣品成分分析

戶外鋼結構的涂料防腐蝕層，由于長期承受化工酸氣、鹽霧、溶劑以及紫外光的照射作用，大多發生了老化和降解，其失效形態主要有涂層的粉化、脫落、開裂、失光、褪色、龜裂和溶脹等。對所采集的戶外鋼結構的失效涂層樣品，分別采用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)進行了形態觀察和定點成分分析。結果表明，失效涂層的腐蝕產物組成主要是氧化鐵、硅化物、少量氯化物、硫化物以及粉化的有機物。圖3～圖5分別為戶外鋼結構涂層失效形貌、失效涂層腐蝕產物的顯微形貌及失效涂層底部顯微形貌003處元素成分能譜圖。

圖3 4號芳烴歧化涂層脫落后腐蝕形貌50×Fig.3 4#aromatics disproportionation peeling coating corrosion morphology after 50×

圖4 失效涂層底部顯微形貌Fig.4 Microstructure morphology of at the bottom of failure coating

圖5 元素成分能譜圖Fig.5 Energy spectrum analysis of elemental compenents

2.2 戶外鋼結構腐蝕及涂層失效分析

2.2.1 大氣腐蝕環境影響的主要因素

(1)水分的影響。在大氣環境下水分是對鋼材起腐蝕作用的主要因素。水是一種電解質，可以離解成H+和OH－，還能溶解大量離子，因而會引起金屬的腐蝕;

(2)SO2及H2S的影響。工業廢氣中含有大量的SO2和H2S也是大氣腐蝕最重要的因素。鋼材的腐蝕速率隨大氣中的SO2與H2S的含量增加而增加［1］。

(3)海鹽粒子的影響。海鹽粒子多為鈉、鉀、鈣和鎂等一些氯化物，被海風攜帶吹送并沉降在鋼結構表面上，形成HCl強腐蝕介質。上海石化實屬海洋工業大氣，既含有工業廢氣的有害雜質，又含有海洋環境的海鹽粒子。工業廢氣中的SO2和海洋大氣中的Cl－的聯合作用對金屬的腐蝕較之單一的SO2或Cl－作用都嚴重得多。

(4)其它雜質的影響。在石化生產的大氣環境中，還含有一定的 NH3，HCN，CO2，Cl2及固體塵粒等，這些雜質生成硝酸、亞硝酸、鹽酸、碳酸、氫氰酸等與硫化物生成的硫酸、亞硫酸一起會在金屬表面濕膜中降低pH值，而加速腐蝕。

2.2.2 涂層過早失效主要因素

(1)太陽的紫外線對有機涂層引起粉化、失光和變脆等老化現象;

(2)設計選材因素。對戶外鋼結構的涂料防腐蝕一直不太重視，涂料的選用沒有考慮環境介質、工藝條件等因素，一律采用防銹底漆加醇酸漆、面漆或氯化橡膠面漆;

(3)表面處理因素。鋼結構外防腐蝕涂裝質量除設計選材外，涂裝工藝較為關鍵，而涂裝前表面處理則是關鍵的關鍵。鋼表面如有氧化皮、銹蝕產物、油污、舊涂膜和塵土等雜質，使涂膜與金屬不能直接接觸，因此涂膜的附著力大大降低，從而影響涂膜的保護作用;

(4)防腐蝕管理及施工質量控制因素。設備管理上對戶外鋼結構的腐蝕與防護重視不夠。對鋼結構外防腐蝕認識不足，重視不夠，疏于管理鋼結構外防腐蝕施工質量。

3 戶外鋼結構防腐蝕對策

金屬腐蝕防護從原理來講就是想方設法阻止腐蝕電池工作，或降低腐蝕電流。然而金屬的腐蝕防護是一門綜合技術，對于金屬防腐蝕一般的方法是:正確選擇耐腐蝕材料和合理的結構設計;表面防腐蝕涂層保護;電化學保護;加注緩蝕劑。目前戶外鋼結構的防腐蝕方法中有機涂層涂裝是最常用的方法。選擇有機涂層方案時應注意以下幾點:(1)防腐蝕涂層保護體系的配套性，各層涂料間的匹配性和相容性;(2)底層涂料直接與金屬接觸，應具有很強的附著力和良好的防銹性能;(3)面層直接與環境接觸，有良好的耐環境腐蝕性能、抗紫外線和良好的耐候性。

參照美國SSPC制定出的不同腐蝕環境中推薦使用的多種防腐蝕涂料涂裝方案，針對上海石化具體的腐蝕環境，特結合國內現有的國情和涂料產品市場的實際情況，相應地制定出3套防腐蝕涂料的設計方案。

①底表面處理方案。底層環氧磷酸鋅防銹漆75～100 μm(干膜厚度);中間層環氧云鐵涂料100 μm(干膜厚度);面層丙烯酸聚氨酯涂料100 μm(干膜厚度);

②環氧富鋅底涂方案。底層環氧富鋅涂料50～75 μm(干膜厚度);中間層環氧云鐵涂料100～150 μm(干膜厚度);面層丙烯酸聚氨酯涂料50 ～100 μm(干膜厚度);

③氟碳涂料面漆方案。底層環氧富鋅涂料50～75 μm(干膜厚度);中間層環氧云鐵涂料100～150 μm(干膜厚度);面層氟碳涂料50～100 μm(干膜厚度)。

4 防腐蝕方案及腐蝕模擬試驗結果

對擬定的3套防腐蝕方案，開展防腐性能長效性的試驗，在模擬腐蝕環境中進行加速腐蝕試驗——鹽霧腐蝕試驗、SO2腐蝕試驗。試驗結果見表1～2。

表1 鹽霧腐蝕試驗結果Table 1 Results of salt spray corrosion test

表2 SO2腐蝕試驗結果Table 2 Result of SO2corrosion test

涂料配套腐蝕試驗樣品經鹽霧腐蝕試驗和SO2腐蝕試驗后結果表明，只要防腐蝕涂層的表面處理質量達到要求，厚度達到250 μm以上，并分3層進行刷涂，同時嚴格控制每層刷涂的時間，均能達到良好的防腐蝕效果;單層的富鋅底層涂料防腐蝕性能很差，必須與中間和面層涂料配套使用。在試驗中，專門設計了不同防腐蝕涂層的厚度及其顏色，進行了不同涂層厚度防腐蝕性能的比較，發現若僅刷涂兩層是難以阻擋腐蝕介質向金屬基體的滲透，達不到預期的阻隔效果，這進一步表明涂層厚度及涂覆均勻在施工工藝中的重要性。戶外鋼結構防腐蝕涂層的過早失效絕大多數與此有關。

5 防腐蝕方案的應用與效果

根據分析與模擬試驗的結果，選定了兩種方案，對于表面處理不宜采用機械噴砂而只能采用手工除銹的，選用:環氧磷酸鋅防銹漆100 μm加環氧云鐵防銹漆100 μm加丙烯酸聚氨酯防腐蝕漆100 μm方案;對于表面處理采用機械噴砂處理的，選用:環氧富鋅底漆100 μm加環氧云鐵涂料100 μm加丙烯酸聚氨酯涂料100 μm方案。

2009年選用環氧磷酸鋅防銹漆100 μm加環氧云鐵防銹漆100 μm加丙烯酸聚氨酯防腐漆100 μm方案，根據國家規范的施工工藝對戶外鋼結構進行涂裝施工，加強中間隱蔽工程的監控，按規范要求進行竣工驗收，至今已使用近4 a，涂層仍基本完好，大大提高了鋼結構防腐蝕層的壽命，減少了因每年進行涂裝的人力物力等的經濟損失。

［1］ 林玉珍，楊德鈞.腐蝕和腐蝕控制原理［M］.北京:中國石化出版社，2007:201-203.