柔性陶瓷涂料在鹽湖鉀鹽生產設備的應用及耐蝕性能研究

收稿日期： 2023-05-28

作者簡介： 李興海（1986-），男，甘肅省張掖人，高級工程師，研究方向：鹽湖資源綜合利用。

通信作者： 劉偉華（1978-），男，工程師，碩士，研究方向：腐蝕與防護。

摘""""" 要：鹽湖資源開發過程中，金屬材料腐蝕問題對設備的安全運轉和生產的連續穩定運行造成很大危害。因此設備的腐蝕防護是鹽湖資源開發的基本保障之一。以陶瓷顆粒為主要填料、改性環氧樹脂為成膜物，開發出可應用于鹽湖苛刻工況環境中的柔性陶瓷涂料，并對涂層基本物理機械性能和耐腐蝕性能進行研究。結果表明：柔性陶瓷涂料耐磨性好，在噴砂鋼材表面附著力可達20.3 MPa，綜合機械性能優良；涂層的耐化學溶劑性能良好，室溫下，在10% NaCl溶液，10% NaOH溶液中浸泡30天后涂層表面無任何變化；在30% H2SO4溶液中浸泡30天后涂層有輕微變色，在10% HCl 溶液中浸泡30天后涂層起泡，無紅銹；應用于熱溶生產氯化鉀工藝中的濃密機底流泵管接頭內壁防護，可有效提高設備的使用壽命。

關" 鍵" 詞：鹽湖化工設備；柔性陶瓷涂料；耐蝕性能

中圖分類號：TQ630.7"""""" 文獻標識碼： A"""""" 文章編號： 1671-0460（2024）02-0205-05

察爾汗鹽湖是我國目前探明的最大鉀鎂鹽礦，鹽類資源儲量超過六百億噸，潛在經濟價值達數十萬億元[1-2]。鹽湖資源開發在我國西部經濟建設中有著重要的地位。

在鹽湖資源的開發過程中，鋼構、輸送管道和化工設備及其建筑物等結構材料在鹽湖環境或介質中會遭受腐蝕破壞，有的在較短時間內就出現了嚴重腐蝕，對設備的安全運轉和生產的連續穩定運行造成很大危害。這已經引起相關企業和科研單位的高度重視[3]。目前，有關金屬材料在鹽湖環境中的腐蝕行為及腐蝕機理研究不斷豐富，為鹽湖環境中使用設備的選材及防護研究提供了依據，為鹽湖資源開發提供了保障[4-5]。碳鋼在鹽湖環境中很短時間內即發生腐蝕破壞，不銹鋼、雙相鋼、鈦合金等金屬材料雖然耐蝕性能較碳鋼好，但是其價格昂貴，難以大規模使用，并且破壞事故仍時有發生[6-7]，因此在金屬材料表面涂覆涂層進行腐蝕防護是提高設備使用壽命的非常重要和常用的手段[8]。為適應更加嚴苛的腐蝕環境，國內外學者常對普通有機涂層進行物理改性和化學改性來提升涂層耐腐蝕能力、力學性能等方面性能[9-10]。例如卜慶鵬[11]等在環氧樹脂中添加氟樹脂改性的納米二氧化硅、氟蠟和石墨烯等填料，提高了涂層耐腐蝕性能和疏水性能；閆健[12]將玄武巖鱗片加入環氧樹脂中制備重防腐涂層，提高了涂層的耐腐蝕性能。劉寶成[13]等將陶瓷粉和環氧樹脂進行混合，制備的柔性陶瓷涂料具有良好的物理機械性能以及優異的耐磨性能、耐化學品性能。柔性陶瓷涂料兼有陶瓷的剛性和樹脂的韌性，近年來，一些國際陶瓷涂料品牌如美國賽克54陶瓷涂料、德國CP陶瓷涂料等產品已經在石油石化、海洋平臺管線等許多重防腐領域得到廣泛應用[14-15]。

本文采用無機陶瓷顆粒作為主要填料，改性環氧樹脂作為成膜物，制備了柔性陶瓷涂料，考察了涂層的物理機械性能和耐蝕性能，并研究了其在鹽湖工業鉀鹽生產設備中的防護適用性，為鹽湖資源開發中設備防護設計提供了試驗依據。

1" 實驗部分

1.1" 涂料及涂層制備

采用陶瓷粉為主要填料，酚醛改性環氧樹脂為成膜物。按表1比例將樹脂、陶瓷粉、溶劑和助劑加入攪拌器，室溫攪拌2 h，制得涂料。

將柔性陶瓷涂料與聚氨酯固化劑按質量比6∶1比例混合，用稀釋劑調整涂料黏度，使用噴槍在0.5 MPa空氣壓力下在經過噴砂處理后的樣板表面進行噴涂。涂層在室溫中干燥、固化，2 h表干后可進行第二道噴涂，7天后試驗樣板完全固化可投入使用。

1.2" 測試方法

涂層拉開法附著力的測試采用PosiTest AT拉拔測試儀，依據GB/T 5210—2006進行。試柱直徑20 mm。進行6組重復測試計算附著力平均值，觀察樣件表面的破壞形式，按以下方式評定破壞類型：A——底材內聚破壞；A/B——涂層與底材間的附著破壞；B——涂層內聚破壞；B/Y——涂層與膠黏劑間附著破壞；Y——膠黏劑內聚破壞；Y/Z——膠黏劑與試柱間附著破壞。對于每種破壞類型，估算破壞面積所占比例，精確至1%。

涂層耐磨性能測試依據標準GB/T 1768—2006進行。采用美國Taber Industries公司CS-10型號的橡膠砂輪，橡膠砂輪負載1 kg，轉臺轉速60 r/min。

涂層基本性能，包括硬度（GB/T 6739—2006）、耐沖擊性能（GB/T 1732—93）、柔韌性能（GB/T 1731—93）均依據相關標準進行。

耐化學品腐蝕性能依據標準ASTM G20進行測試。試樣分別浸泡于下列四種溶液中：10% NaCl溶液，10% NaOH溶液，10% HCl 溶液，30% H2SO4溶液。溶液溫度25 ℃。樣件尺寸φ20 mm×150 mm，材質為Q235鋼。

模擬熱溶結晶生產氯化鉀工藝中濃密機底流泵的工作環境進行工況模擬浸泡試驗，濃密機底流泵工作介質為鉀石鹽料漿，溫度90～95 ℃。鉀石鹽料漿制備工藝：采用察爾汗鹽湖中的湖鹽作為原料，將湖鹽用研缽粉碎，與適量的水混合，充分攪拌均勻，過濾后得到鉀石鹽固體，將鉀石鹽固體溶解到適量的水中配制鉀石鹽料漿，調節料漿pH值5～6。將樣件浸泡于鉀石鹽料漿中，用機械攪拌模擬料漿流動，攪拌速率300 r/min，用油浴控制鉀石鹽料漿溫度為（95±2）℃。樣件尺寸φ20 mm×150 mm，材質為Q235鋼。

采用掃描電子顯微鏡觀察涂層微觀形貌的變化，測試試樣經噴碳處理。并用儀器自帶的EDS組件分析樣品表面元素成分。用Stemi508體視顯微鏡觀察樣件表面形貌。

2" 結果與討論

2.1" 涂層的力學性能

表2為柔性陶瓷涂層附著力測試數據。

從表2中數據可以看出，1#和5#試柱的附著力測試數值較低，其破壞類型主要是膠黏劑與試柱之間的破壞，涂層并未被破壞，未能反映出涂層的真實內聚強度。其余四個試柱的破壞類型主要是涂層內聚破壞，有少部分是涂層與基體之間附著破壞，從這四個試柱的測試結果計算得到涂層附著力平均數值為20.3 MPa，可以看出柔性陶瓷涂層內部具有較高的結合強度，與經過噴砂處理的鋼材表面亦有較好的結合強度。

圖1是經附著力測試涂層拉拔破壞后的照片。

從圖1中可以看到，涂層拉拔斷裂處斷口光滑，無松散的陶瓷顆粒。陶瓷顆粒與樹脂之間混合充分，完全浸潤。陶瓷顆粒被樹脂完全包覆，與樹脂成為整體，因此柔性陶瓷涂層具有較高的結合強度。

涂層的基本物理性能測試結果如表3所示。可以看到，柔性陶瓷涂層具有較高的硬度及較好的耐磨性能，同時涂層具有較好的柔韌性和抗沖擊性能，綜合力學性能良好。

2.2" 化學溶液浸泡試驗

柔性陶瓷涂層樣件在化學溶劑中浸泡前后的照片如圖2所示。從中可以看到，柔性陶瓷涂層樣件在10% NaCl溶液中浸泡30天后，外觀沒有任何變化；在10% NaOH溶液中浸泡后的樣件，除了顏色稍微變淺外涂層外觀無其他變化，仍然保持涂層光澤；在30% H2SO4溶液中浸泡后的樣件，涂層顏色由青色變成黃色；在10% HCl 溶液中浸泡的樣件，涂層顏色由青色變成黃色，并且涂層變得粗糙，失去光澤，但是涂層仍然完好，無脫落破損，樣件表面無紅銹，涂層仍能對基體起到防護作用。

圖3是在體視顯微鏡下觀察的在化學溶液中浸泡后的涂層表面形貌。

可以看到，在10% NaCl溶液和10% NaOH溶液中浸泡后的涂層表面與浸泡前完全一樣，陶瓷顆粒均勻地分散于樹脂中，涂層均勻細膩，致密光滑；在30% H2SO4溶液中浸泡后的樣件，涂層表面細膩光滑，有少量黃色斑塊沉積在涂層表面，因此涂層顏色發生變化。在10% HCl 溶液中浸泡后的涂層表面布滿了直徑幾十微米的小泡，這也是涂層外觀上失去光澤的原因。

將在10% HCl溶液中浸泡后的樣件切割，觀察涂層截面形貌變化，掃描電鏡照片如圖4所示。從中可以看到，在10% HCl溶液中浸泡30天后，涂層內由兩道涂裝工序造成的涂層界面處產生裂紋，涂層腐蝕破損從裂紋處開始發生，并逐漸向基體表面延伸擴展，涂層腐蝕后的產物不再致密，變得疏松，將涂層鼓起，因此體視顯微鏡下可以觀察到涂層表面鼓泡。由于涂層的腐蝕破壞是從涂層內部開始的，涂層表面并未破壞，沒有從涂層表面至基體的貫穿性腐蝕破壞，因此涂層仍能對基體起到一定的防護作用，沒有造成基體腐蝕，沒有紅銹滲出到涂層表面。

2.3" 模擬工況浸泡試驗

柔性陶瓷涂層樣件在95 ℃鉀石鹽料漿中浸泡120天后的照片如圖5所示，在體視顯微鏡下觀察到的涂層表面形貌如圖6所示。

從圖5中可以看到，涂層整體完好，有少量銹點出現。從圖6中可以看到銹點由涂層制備過程中產生的針孔、氣泡處產生，經過長時間的沖刷浸泡后，腐蝕介質滲入涂層并直達基體金屬材料表面，引起基體金屬材料腐蝕，紅銹滲出到涂層表面。在施工中，要嚴格控制涂裝工藝，做好涂層質量檢驗，制備無缺陷的防護涂層是使涂層具有較好防護性能的重要保障。

2.4" 現場試驗

鹽湖工業熱溶結晶生產氯化鉀工藝中濃密機底流泵管路主要輸送濃密機底流鉀石鹽料漿，輸送液體腐蝕性強，溫度高，流速快，并伴有固體顆粒物沖刷管壁。由于工況嚴苛，管路在工作過程中頻繁出現腐蝕穿孔而導致停產維修，不銹鋼管件的服役壽命僅為45天左右。在不銹鋼管件內外壁均采用柔性陶瓷涂層進行防護，照片如圖7所示。

采用柔性陶瓷涂層防護后的管接頭投入使用120天后，工作人員于檢修日卸下管接頭進行檢查，涂層表面完好、無鼓泡、裂紋、銹點、剝落等缺陷，管內壁涂層厚度有所減薄。投入使用180天后，管件內壁涂層剝落。涂覆柔性陶瓷涂層可對管接頭起到有效的防護作用，服役壽命是未防護時的4倍，有效延長了部件的使用壽命。

3" 結論

本文采用陶瓷粉為主要填料、改性環氧樹脂為成膜物，制備了柔性陶瓷涂料，考察了涂層的機械物理性能和耐蝕性能，并對其在鹽湖苛刻工況環境中使用的設備的防護性能進行研究。試驗結果表明：柔性陶瓷涂層耐磨性能好，在噴砂鋼材表面附著力好，綜合力學性能優良；涂層的耐化學溶劑性能良好，室溫下，在10% NaCl溶液，10% NaOH溶液中浸泡30天后涂層表面無任何變化；在30% H2SO4溶液中浸泡30天后涂層有輕微變色，但是無鼓泡、脫落、銹蝕等缺陷產生；在10% HCl 溶液中浸泡30天后涂層起泡，無紅銹；涂層耐鹽湖介質性能好，對鹽湖工業熱溶結晶生產氯化鉀工藝中濃密機底流泵管路起到較好的防護效果，有效延長了部件的使用壽命。在施工過程中要注意嚴格控制涂層質量，以保證防護效果。

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Application and Corrosion Resistance of Flexible Ceramic

Coatings in Potassium Salt Production Equipments

LI Xinghai1， GUO Yingfu1， YIN Yuejun2， ZHANG Xiangdong3， LIU Weihua4， ZHAO Huan4， ZHAO Jinling4

（1. Qinghai Salt Lake Sanyuan Potassic Fertilizer Co.， Ltd.， Golmud Qinghai 816099， China;

2. Shenyang Hangda Technology Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110043， China;

3. Shaanxi Lefu Construction Engineering Co.， Ltd.， Xi’an Shaanxi 710016， China;

4. Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences， Shenyang Liaoning 110016， China）

Abstract： During the development of salt lake resources， the corrosion of metal materials has caused great harm to the safe operation of equipment and the continuous and stable operation of production. Therefore， corrosion protection of equipment is one of the basic guarantees for the exploitation of salt lake resources. In this paper， the flexible ceramic coating which can be applied to the harsh working conditions of salt lake was developed with ceramic particles as the main filler and modified epoxy resin as the film forming material， and its basic physical mechanical properties and corrosion resistance were studied. The results showed that the flexible ceramic coating had good wear resistance， the adhesion on the sandblasted steel surface could reach 20.3 MPa， and the comprehensive mechanical properties were excellent. The coating had good resistance to chemical solvents. At room temperature， the coating surface did not change after soaking in 10% NaCl solution and 10% NaOH solution for 30 d. The coating was discolored slightly after soaking in 30% H2SO4 solution for 30 d， and bubbled after soaking in 10% HCl solution for 30 d. It can be applied to the inner protection coating of underflow pump of thickener in hot solution production of potassium chloride， which can effectively improve the service life of equipment.

Key words：" Salt lake chemical equipment; Flexible ceramic coating; Corrosion resistance