高分子化工材料在化工防腐中的應(yīng)用研究

任小逆，張洪鑫

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

1 化工機(jī)械設(shè)備腐蝕原因探析[1，2]

1.1 內(nèi)部原因

其一是金屬晶體的密度越大，其耐腐蝕性能越好。 化工企業(yè)生產(chǎn)加工過程中，為降低設(shè)備遭受腐蝕概率， 已最大限度減少應(yīng)用酸堿等易腐蝕溶液，但無法禁止使用酸堿溶液。 化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不科學(xué)， 主要原因是化工設(shè)備中很多部件都不能按嚴(yán)格要求焊接， 以及在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生大量液體， 存在大量的裂紋和角點(diǎn)[3]。在裂縫和拐角處，不僅工人很難清洗，而且腐蝕和老化的部分也越來越多。 其二是化學(xué)設(shè)備的表面不光滑甚至粗糙， 這會(huì)增加液體對(duì)設(shè)備和部件的腐蝕。

1.2 外部原因

一般情況下化工設(shè)備所用材料大都為金屬材質(zhì)，因使用材質(zhì)不同受到腐蝕程度也存在較大差異。 目前我國(guó)大部分化工企業(yè)為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化，選購(gòu)設(shè)備時(shí)先考慮成本，再考慮材料。這也直接導(dǎo)致選用材料晶粒直徑過大，抗化工腐蝕性差，使設(shè)備使用壽命變短，直接影響企業(yè)生產(chǎn)效率。

外因也是化學(xué)機(jī)械設(shè)備發(fā)生腐蝕的重要原因。 腐蝕性氣體或溶液極易腐蝕機(jī)械設(shè)備，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中， 許多機(jī)械設(shè)備運(yùn)行在特殊環(huán)境中，酸、堿腐蝕嚴(yán)重。 氣、液流動(dòng)速度不同，對(duì)設(shè)備的腐蝕程度也不同[4]。

2 高分子材料耐腐蝕特性

高聚物材料最突出的特點(diǎn)是具備超強(qiáng)的耐腐蝕性能，我們充分利用這一特點(diǎn)，將此種材料應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中。

使用高分子聚合材料制造的化工設(shè)備，其微觀結(jié)構(gòu)緊密（如圖1 所示），計(jì)量罐、管道、閥門等不易發(fā)生滲漏，是化學(xué)制劑防腐的優(yōu)質(zhì)材料。 因高分子聚合材料具有化學(xué)惰性，可防止聚氯乙烯的主鏈?zhǔn)艿交瘜W(xué)損傷[5]。 一些設(shè)備遭到腐蝕破壞主要是因?yàn)槲⑸锓敝澈颓治g，而高分子材料不利于微生物繁殖，被腐蝕概率會(huì)大大降低。

圖1 高分子聚合材料微觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)過化學(xué)處理后，材料表面會(huì)形成一層新型防腐蝕涂層，樣品是S-148 芳香族(UP)不飽和聚酯樹脂。 常溫浸泡70%硫酸溶液0.5～1a 后，表面變黑。 除表面的黑化層外，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無變化，僅表層起化學(xué)作用。 經(jīng)紅外光譜和X 射線光電子能譜分析，主鏈苯環(huán)上出現(xiàn)磺化反應(yīng)。 將磺酸基團(tuán)引入主鏈可提高表面結(jié)構(gòu)的致密性，而新的磺酸基團(tuán)則能抵抗硫酸的攻擊，空間位阻效應(yīng)則能保護(hù)設(shè)備主要結(jié)構(gòu)，防止硫酸進(jìn)一步滲入[6]。

3 腐蝕試驗(yàn)方法

多年來的研究與應(yīng)用表明，靜浸處理法基本符合實(shí)際。 本文設(shè)計(jì)的材料耐腐蝕試驗(yàn)主要是依據(jù)ASTNC581 和GB3857 標(biāo)準(zhǔn)， 從多角度出發(fā)全面評(píng)價(jià)高分子聚合材料的優(yōu)越性：1）外觀變化；2）介質(zhì)外觀變化；3)質(zhì)量變化率；4）強(qiáng)度保持率(一般選擇抗壓強(qiáng)度)。

選擇不同的溫度進(jìn)行試驗(yàn)：在0～50℃范圍內(nèi)進(jìn)行常溫試驗(yàn)，在50℃以上進(jìn)行高溫試驗(yàn)，記錄在不同溫度下試驗(yàn)材料被腐蝕情況，可較好地反映出材料在特定介質(zhì)中的耐腐蝕性（如圖2 和圖3 所示）。

根據(jù)圖2 和圖3 可知： 在應(yīng)用高分子化工材料前，在0～50℃范圍內(nèi)進(jìn)行常溫試驗(yàn)以及在50℃以上的高溫試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣本腐蝕情況均較為嚴(yán)重。 在應(yīng)用高分子化工材料后，試驗(yàn)樣本腐蝕情況得到明顯改善，即使試驗(yàn)溫度超過50℃，其腐蝕面積也始終低于2cm2。

圖2 0～50℃范圍內(nèi)的常溫試驗(yàn)

圖3 50℃以上的高溫試驗(yàn)

4 耐腐蝕級(jí)別及其評(píng)價(jià)辦法[7]

4.1 極抗腐蝕。 在溫度高于50℃的條件下，聚合材料浸泡在腐蝕介質(zhì)中長(zhǎng)達(dá)144h， 其表面無顏色、 光澤等變化， 表面粗糙度不變， 強(qiáng)度大于90%，質(zhì)量變化率小于0.5%的試件。

4.2 耐蝕性。 在設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度下，高分子聚合材料表層顏色有明顯變化，但材料表面的粗糙程度未出現(xiàn)明顯的變化， 測(cè)試材料的耐磨性維持在85%左右。

4.3 機(jī)械設(shè)備耐蝕性。在4.1 條件下，試樣的顏色會(huì)發(fā)生變化，試樣的表面光澤度和粗糙度也會(huì)發(fā)生變化，但不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，強(qiáng)度保持率大于60%，質(zhì)量變化率小于2%。

4.4 玻璃耐蝕性。 在實(shí)驗(yàn)條件溫度設(shè)定在50℃的情況下，聚合材料浸泡在腐蝕介質(zhì)中超過100h。材料表面有明顯的腐蝕坑， 耐磨強(qiáng)度低于60%，質(zhì)量變化率大于2%。

5 化工防腐蝕過程中高分子材料應(yīng)用方式

5.1 涂層

它是一種常用的高分子防腐材料，用于需要防腐零件的涂裝。 主要目標(biāo)是將腐蝕介質(zhì)與材料隔離，避免它們之間發(fā)生化學(xué)作用[8，9]。 大氣防腐常用的介質(zhì)不同于涂層材料，適用于強(qiáng)介質(zhì)氣相防腐或液體制劑防腐的噴涂塑料，在強(qiáng)介質(zhì)液相腐蝕中，可采用玻璃鱗片增強(qiáng)涂層、橡膠襯里和玻璃鋼防腐涂層。

5.2 整體防腐

各類耐腐蝕設(shè)備全部采用高分子材料代替金屬材料，因其重量輕、運(yùn)輸方便而受到人們的青睞。 內(nèi)襯FIFE 玻璃鋼閥門、橡膠管、聚氯乙烯防腐蝕容器、復(fù)合鋁塑管、玻璃鋼儲(chǔ)罐等。

5.3 墊圈

常見的含氟高分子材料制作各種防腐蝕墊圈。

5.4 調(diào)節(jié)化學(xué)介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

化學(xué)介質(zhì)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)可直接影響化工設(shè)備的抗腐蝕程度，若化學(xué)介質(zhì)加入不當(dāng)可造成化工設(shè)備被嚴(yán)重腐蝕。 化工設(shè)備在最初設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，若在使用過程中接觸到的腐蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出設(shè)計(jì)時(shí)所能承受的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致化工設(shè)備遭到嚴(yán)重腐蝕。 如在化工生產(chǎn)過程中有化學(xué)介質(zhì)加入，化工設(shè)備的抗腐蝕性嚴(yán)重降低，會(huì)對(duì)其使用壽命帶來影響。 采用高分子材料作為化工設(shè)備主材時(shí)，也要關(guān)注硫化氫、氫氧化鈉的配比，按最佳比例注入化學(xué)介質(zhì)更利于增加化工設(shè)備的使用壽命；將高分子聚合材料防腐涂層涂于化工設(shè)備之后，要增加一步應(yīng)力熱處理，化學(xué)介質(zhì)中的氫氧化鈉含量按規(guī)定比例加入，嚴(yán)格控制設(shè)備運(yùn)行溫度，盡可能避免因化學(xué)介質(zhì)加入不當(dāng)而造成腐蝕破裂狀況發(fā)生。

6 有效防腐層厚度設(shè)計(jì)

6.1 氣相防腐

動(dòng)態(tài)腐蝕與靜態(tài)腐蝕是氣相腐蝕過程中較為常見的兩種類型，在兩種不同腐蝕狀態(tài)下要求防腐涂層達(dá)到的厚度也有明顯差異。 發(fā)生氣相腐蝕時(shí)， 腐蝕液體的濃度和氣體滲透率都較低，在防腐涂層的保護(hù)作用下，化工設(shè)備可以達(dá)到防腐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

腐蝕介質(zhì)處于流態(tài)條件下，聚合材料若處于高溫狀態(tài)，對(duì)材料耐腐蝕性能要求更高，要滿足化工生產(chǎn)還需加強(qiáng)氣相防腐，同時(shí)加涂抗腐蝕性能強(qiáng)的涂層，如特種防腐涂層、玻璃鱗片樹脂涂層等等，加涂涂層的厚度最好大于1 mm。

6.2 液相防腐

化工生產(chǎn)中常用到存儲(chǔ)液體設(shè)備有運(yùn)輸罐車、儲(chǔ)罐、發(fā)酵罐等，而盛裝的液體多為鹽酸、硫酸、堿液、硝酸等，經(jīng)過化工生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，強(qiáng)腐蝕性液體的運(yùn)送可使用玻璃鋼材質(zhì)的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)部涂層可有效避免被液體腐蝕， 涂層厚度超過3 mm，液體更不容易發(fā)生滲漏的情況。

動(dòng)液相腐蝕是指儲(chǔ)存和使用動(dòng)態(tài)介質(zhì)中的動(dòng)液相腐蝕設(shè)備或附件，如：管道、閥門、泵、反應(yīng)器、容器等，不僅存在靜態(tài)液相的腐蝕滲透，還存在腐蝕磨損的問題，而且維護(hù)條件十分惡劣。 目前，高分子材料制件與化工設(shè)備襯里的一體化解決了工作溫度超過100℃就會(huì)出現(xiàn)工作液發(fā)生腐蝕的問題。

總之，隨著化工行業(yè)的深入發(fā)展，對(duì)化工材料和設(shè)備防腐工作的關(guān)注也越來越多。 使用高分子材料， 在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的防腐性、耐無機(jī)酸、耐堿性。 所以，結(jié)合不同的腐蝕條件，選擇不同材質(zhì)的高分子材料，研究耐腐蝕高分子材料在高溫下的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)于提高聚合物材料的社會(huì)適應(yīng)性，促進(jìn)其應(yīng)用具有重要意義。