石油化工企業鋼結構的腐蝕與防護

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

石油化工企業中的冷換框架、反應器框架、管架、廠房、泵棚及樓梯間等大多采用鋼結構。由于鋼結構長期暴露于大氣環境中，除受到一般自然條件的侵蝕外，不可避免地會被少量但腐蝕性較強的各種化工氣體如氮氧化物和硫化物所腐蝕[1]，尤其是煉制高含硫原油而帶來的H2S和SO2，進一步惡化鋼結構的腐蝕環境。而且裝置一旦發生泄漏會造成其鄰近的鋼結構處于高濃度的腐蝕性化工氣體中，對鋼結構造成更大的腐蝕危害。目前，為防止鋼結構的大氣腐蝕，在石油化工裝置中的所有鋼結構均需噴涂防腐蝕涂料，但是，防腐蝕涂料在實際使用過程中仍然存在過早失效的問題[2-3]，不能起到長效防腐蝕作用。而鋼結構的腐蝕破壞嚴重威脅裝置生產安全和人員人身安全，因此，需要根據石油化工鋼結構的腐蝕特點，采取適當的防腐蝕措施。

1 鋼結構的腐蝕原因

影響石油化工企業鋼結構腐蝕的主要因素有環境、設計選材、施工與管理等。

1.1 環境因素

石油化工企業鋼結構的腐蝕主要為大氣腐蝕。化工廠的工業大氣中含有較高濃度的SO2和H2S等腐蝕介質，具有較強的腐蝕性，按文獻[4]的規定，化工工業大氣腐蝕等級劃分為C4(高)至C5(很高)級。處于海濱的煉化中心，如廣東大亞灣和廣西欽州，受海洋大氣和化工大氣的雙重影響，在某些局部區域大氣的腐蝕等級能達到規定的最高腐蝕等級CX(極端)。

研究表明，當石油化工企業的鋼結構長期暴露在大氣中時，若空氣的相對濕度超過某一臨界值，鋼結構的表面就會形成水膜[5]，而一旦形成水膜，化工大氣中的SO2，H2S，Cl2，HCl，CO2，NH3，NOx以及灰塵等物質將會被鋼鐵表面的水膜溶解，成為導電性良好的電解質溶液，從而加速鋼結構的腐蝕。

鋼材表面形成水膜的空氣相對濕度臨界值與鋼材的表面狀態有關，當干凈表面在空氣中時，臨界空氣濕度接近100%；在接觸過SO2的表面，臨界濕度為80%；在3%氯化鈉溶液中浸泡過的表面，臨界濕度為55%[6]。臨界濕度越低，鋼結構表面越容易形成水膜。可以看出，對處于化工大氣中的鋼結構其表面易形成水膜也更易被腐蝕。

沿海的煉化企業，鋼結構所處大氣環境中，既含有工業大氣的有害雜質，又含有海洋大氣環境的鈉、鉀、鈣和鎂等氯化物，這些氯化物被海風攜帶并沉降在鋼結構的表面上，與鋼結構表面水膜結合形成強腐蝕介質，使鋼結構的腐蝕更加嚴重。

1.2 設計選材因素

一般大氣環境中，鋼結構涂料的選用沒有考慮具體的環境介質和工藝條件等因素。針對戶外鋼結構的防腐蝕，習慣上采用親水性較大，耐候性相對較差的適用于一般大氣環境的涂裝體系，即采用醇酸底漆和面漆兩層結構，另外不再加中間漆。但對于石油化工企業，由于其工業大氣中含有較多腐蝕性較強的SO2和H2S氣體，若鋼結構外防腐蝕涂層采用底漆和面漆兩層涂裝結構，其耐用性肯定較差，即使面漆采用耐候性和耐蝕性均較好的氯化橡膠涂料，也存在過早失效的問題。

1.3 施工因素

除設計選材外，防腐蝕涂裝的施工工藝也是影響涂層質量的關鍵。采用合適的表面處理方法將鋼結構表面的雜質清除干凈，如污物、銹層和軋制鋼材時形成的氧化皮。按文獻[7]中的規定，鋼結構表面需達到Sa2.5級以上。對戶外鋼結構常用的表面處理方法有工具除銹(包括手動和動力工具除銹)和噴射除銹。噴射除銹和手工除銹相比，同一種油漆在相同的腐蝕環境下，采用前者除銹較后者的漆膜壽命可延長3～5倍。若現場施工過程中僅依靠手工除銹，難以徹底清除鋼結構表面的舊漆與銹垢，易導致涂層附著力差，造成涂層過早失效。

一般防腐蝕涂層越厚，其耐蝕性能越好。結合文獻[8]中的要求，防腐蝕涂料的最低使用年限、各涂層的干漆膜厚度和總厚度需要根據各單體的重要性、維修的難易程度以及建設工程的要求確定[9]，一般來說，干膜總厚度最少不低于200 μm。由于鋼結構防腐蝕涂裝的施工工藝不合理，現場施工時僅3～4道涂裝，且省略了中間漆，這樣就會導致干膜總厚度不足，而干膜總厚度不足的涂層易發生水和氧氣的滲透現象，致使涂層起泡、剝離及失效。

1.4 管理因素

企業更注重生產效益，沒有專職防腐蝕管理人員，一般由設備管理人員兼管防腐蝕，而設備管理人員更關注與生產工藝流程相關的設備，容易忽視鋼結構的防腐蝕問題。一是在鋼結構外防腐蝕施工過程中，疏于管理施工質量，對施工隊伍資質審查不嚴；二是由于石化企業裝置的檢維修周期較長，多在3 a以上，對鋼結構外防腐蝕涂層不能及時進行維護。

2 防腐蝕措施

金屬防腐蝕最常用的一種方法是表面涂覆有機涂層，涂層的防護作用主要是：(1)對金屬基體起著機械保護作用或屏蔽作用；(2)具有良好的抗滲性能，減緩水蒸氣、氧氣或其他侵蝕性離子的滲透，阻礙基材金屬的電化學腐蝕過程[10]。目前，鋼結構所采用的主要防腐蝕手段是噴涂防腐蝕涂料，正確選擇防腐蝕涂料和合理的施工工藝是保證防腐蝕質量的關鍵。

2.1 涂料的選擇

按保護功能劃分，防腐蝕涂料分為底漆、中間漆和面漆。一般重防腐蝕涂裝的涂料配套體系為底漆+中間漆+面漆，各層涂料均有其功能特性，組合而成復合涂層，有效提高涂層的耐蝕性能。

2.1.1 底漆

底漆與金屬基體直接接觸，應具有很強的附著力和良好的防銹性能。基體表面除銹等級、粗糙度應達到相關標準要求。底漆需具有良好的陰極保護作用，富鋅底漆作為防銹底漆的首選產品得到了廣泛應用，常用的產品有環氧富鋅底漆和無機硅酸鋅底漆。

環氧富鋅底漆與無機硅酸鋅底漆相比主要有以下優點：(1)環氧富鋅底漆的施工性能較好， 相對于無機硅酸鋅底漆對表面處理的要求較低，需噴砂除銹至Sa2級，而無機硅酸鋅底漆要求達到Sa2.5級；(2)環氧富鋅底漆的附著力較強，與環氧云鐵中間漆以及其他高性能的中間漆涂料均有良好的黏結性；(3)環氧富鋅底漆的防腐蝕性能優良，主要用于石油化工設備的防腐蝕；(4)無機硅酸鋅底漆的耐高溫性能較好，可耐400 ℃高溫，對于煉化設備鋼結構有耐高溫要求時可采用無機硅酸鋅底漆。

2.1.2 中間漆

中間漆通常采用環氧云鐵中間漆，環氧云鐵中含有大量的云母氧化鐵(簡稱云鐵)，其含量達涂料中所用顏料的80%左右[11]，云鐵的結晶體為薄片或板狀，交叉分布在涂層中，有效增加漆膜的機械強度；另外，由于云母氧化鐵的微觀片狀結構可增強涂層的抗滲性能，特別適用于潮濕環境下的防腐蝕。

中間涂層的作用主要有：(1)增加漆膜厚度，一般是選用厚漿型涂料或增加涂刷遍數，提高涂層的耐久性和防腐蝕性能；(2)經濟性好，相比于單純使用底漆+面漆，延長了涂層使用年限，降低維護成本；(3)作為中間涂層，增大底漆和面漆之間的附著力和連接強度。

2.1.3 面漆

面漆是涂層中最外層的涂料，直接與環境接觸，在漆膜中起主要的裝飾和保護作用。不僅要有良好的耐環境腐蝕性能，還要有良好的耐候性。鋼結構外防腐蝕常用的面漆有丙烯酸聚氨酯涂料、氯化橡膠涂料和氟碳涂料。三種涂料中耐候性最好的是氟碳涂料，其次是丙烯酸聚氨酯涂料和氯化橡膠涂料。

聚氨酯涂料具有優異的性能[1]，如優良的物理機械性能(包括硬度、柔韌性、耐磨性)、耐環境腐蝕性能、耐候性及良好的保光、保色性能，常用于標志性建筑和大型工業裝置的外防腐蝕，聚氨酯涂層的裝飾保護作用可達到10～20 a。丙烯酸聚氨酯涂料是聚氨酯涂料中性能較好的一類重防腐蝕涂料。

氟碳涂料不僅耐腐蝕性能優越、還具有優異的耐候性和耐沾污性能，作為鋼結構外防腐蝕其使用年限可達20 a以上，大大延長了涂料的維護周期,雖然投資較高，但維修成本降低。目前，氟碳涂料在我國大型儲罐和橋梁的防腐蝕中得到了應用[12-13]。氟碳涂料作為鋼結構防腐蝕的新型涂料具有良好的市場發展前景。

2.1.4 涂層配套方案

石油化工企業鋼結構處于含較高SO2和H2S的化工大氣中，環境腐蝕性較強。推薦鋼結構的長效防腐蝕涂裝配套體系為底漆采用環氧富鋅涂料、中間漆用環氧云鐵、面漆為丙烯酸聚氨酯涂料或氟碳涂料。底涂層與金屬基層的附著力大小應符合文獻[14]的相關規定，按照拉開法的測試方法，附著力不宜低于5 MPa。經噴射清理，碳鋼基材上基于一定耐久性要求和大氣腐蝕性級別下涂料體系的額定干膜厚度，按文獻[15]的規定見表1。

表1 大氣腐蝕性級別下涂料體系的額定干膜厚度和防腐蝕年限

2.2 加強涂裝工程質量監督與檢測

鋼結構防腐蝕是一個系統工程，其防腐蝕質量受鋼結構工程使用方、工程設計方與施工監理方等多方面的綜合因素影響。只有各方對鋼結構防腐蝕足夠重視，鋼結構的安全與使用壽命才能得到可靠的保障。

對鋼結構涂裝工程做好全過程管理，需注意以下幾個方面：(1)選定專業的施工隊伍，施工之前審查涂裝方案是否滿足設計要求；(2)設置專門的防腐蝕工程專家對鋼結構的整體防腐蝕技術進行評估；(3)委托第三方檢測機構，檢驗涂料質量、嚴格檢查鋼結構表面預處理質量及涂料施工性能等；(4)審查施工方案，對涂裝施工過程進行監督，確保其施工工藝合理；(5)工程移交時，對鋼結構的整個外防腐蝕涂裝工程質量進行檢測，如表面質量、總干膜厚度；(6)竣工驗收后進行定期檢測與維護。

3 結 語

石油化工企業鋼結構處于腐蝕性較強的化工大氣環境中，大氣腐蝕等級為C4(高)至C5(很高)級。鋼結構防腐蝕工程與鋼結構的安全運行和壽命保障密切相關，應加強鋼結構防腐蝕施工管理與質量監督。鋼結構防腐蝕的主要手段是使用前涂裝防腐蝕涂料，優先選用石油化工鋼結構的長效防腐蝕涂裝配套體系采用底漆+中間漆+面漆的復合涂層，底漆采用環氧富鋅涂料、中間漆用環氧云鐵、面漆為丙烯酸聚氨酯涂料或氟碳涂料，干膜總厚度大于200 μm。