大氣暴露環(huán)境下潮濕表面怎樣選用涂料

大氣暴露環(huán)境下潮濕表面怎樣選用涂料

自本世紀初，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，出現(xiàn)在石油化工、電力、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的動靜設(shè)備和長距離輸送管道越來越多，這些設(shè)備和管道構(gòu)成了生產(chǎn)運營的主體部分，在工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了核心作用。與此同時，由于經(jīng)常暴露于大氣中，太陽光中的紫外線會損害設(shè)備和管道表面的涂層，造成老化、粉化等現(xiàn)象；大氣中的水汽也會凝聚在設(shè)備和管道表面，不斷侵蝕涂層，逐漸滲透，直至涂層起泡、開裂和脫落。石化和電力行業(yè)工業(yè)廢氣中的氮氧化物和硫氧化物還會形成更為嚴酷的酸性氣體腐蝕環(huán)境。

在各種大氣腐蝕環(huán)境類型中，最為常見也是無法避免的，便是水汽的凝聚。因為大氣中的水汽無處不在，四季循環(huán)，溫度和相對濕度經(jīng)常變化，設(shè)備和管道表面不時會有水蒸氣冷凝、掛壁。有些設(shè)備和管道的外表面，既經(jīng)常暴露于太陽光的強紫外線照射之中，又時時刻刻出現(xiàn)水蒸氣冷凝，比如架空的市政燃氣管道，在調(diào)壓分段，其管道外表面會形成一層水膜。在這一類腐蝕環(huán)境下，要做到涂層防護，是極其困難的，而業(yè)主提出的要求是：不黃化、不粉化、不起泡。因此，為潮濕表面選用合適的產(chǎn)品，采用適當?shù)耐垦b技術(shù)，成為保護潮濕表面的兩個難題。

1 架空燃氣管道潮濕表面腐蝕環(huán)境分析

同濟大學(xué)的朱彤對鋼質(zhì)燃氣管道溫度場進行了詳盡的分析與計算，最后得出燃氣管道溫度場的分布主要與管道埋設(shè)方式、管道材料以及輸送介質(zhì)有關(guān)，而且輸送天然氣，管道的整體溫升（ 或溫降） 比輸送人工燃氣時的幅度要大。泰州中石油昆侖燃氣有限公司的邵雷對天然氣站場高壓管道管壁冷凝水的產(chǎn)生原因進行了詳盡的分析，歸納總結(jié)為：天然氣在進入站場前，需要在上游管道進行降壓調(diào)壓，這一操作會對管道內(nèi)的高速氣流產(chǎn)生明顯的節(jié)流效應(yīng)，使管道內(nèi)的氣體溫度驟降，通過熱傳遞使管道外表面的溫度下降，到達冷凝水的凝點（實為露點），就會使管壁外產(chǎn)生冷凝水，并在過低的溫度下出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象。

根據(jù)ISO 12944-2:2017及其引用的腐蝕環(huán)境分析標準ISO 9223，大氣暴露下潮濕表面的腐蝕環(huán)境，既不同于純粹的大氣暴露腐蝕環(huán)境，又不是純粹的浸泡腐蝕環(huán)境，是一種介于冷凝高濕（C5）大氣腐蝕環(huán)境與水性浸泡（淡水，Im1）環(huán)境之間的腐蝕環(huán)境。其具體表現(xiàn)為：當鋼質(zhì)燃氣管道表面溫度低于露點溫度（空氣相對濕度大）時，管道表面為冷凝水膜覆蓋狀態(tài)，即使用抹布擦干，短時間內(nèi)（如1min內(nèi)）表面也會逐漸出現(xiàn)冷凝水膜覆蓋的現(xiàn)象，就像人“出汗”一樣，見圖1。反之，管道表面將無法形成冷凝水，則管道表面呈現(xiàn)一種低溫、干燥的狀態(tài)。管道內(nèi)氣體速度會影響到氣體溫度，而氣體溫度會影響到鋼質(zhì)燃氣管道表面溫度。如果外界溫度高，則會影響到管道表面冷凝水膜的揮發(fā)速度。由于管道內(nèi)氣體速度和外界溫度變化較快，所以，管道表面的腐蝕環(huán)境實質(zhì)是在C5與Im1之間不斷交替與往復(fù)變化。

圖1 潮濕表面水珠生成微觀模擬圖

2 大氣暴露下潮濕表面腐蝕環(huán)境的危害

鋼質(zhì)設(shè)備和管道的缺陷常分為兩類，一是外觀缺陷。主要是指面漆在長期的太陽光（主要是其中的紫外線）照射下產(chǎn)生的如變色、粉化、失去光澤等現(xiàn)象，從而在整體上表現(xiàn)出顏色暗淡、外觀不協(xié)調(diào)等，出現(xiàn)此類缺陷的原因是太陽光中紫外線對涂層高分子化學(xué)鍵的破壞。潮濕與干燥交替的鋼結(jié)構(gòu)表面，如果處于大氣暴露環(huán)境中，其特殊的地方，在于不同部位表面粉化程度不一，沒有水膜覆蓋的外表面粉化嚴重，而有水膜覆蓋的表面會留存一些降解粉化的漆膜顆粒，降低粉化的視覺呈現(xiàn)，粉化程度一般時，視覺上便難以察覺。

二是耐久性缺陷。主要是指整個防腐涂層體系（包括面漆）的開裂、剝落、鼓泡、甚至銹蝕等現(xiàn)象。這些問題的出現(xiàn)必然影響到鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。出現(xiàn)此類缺陷的原因主要是鋼結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果。潮濕與干燥交替的鋼結(jié)構(gòu)表面，由于長期處于浸泡，其最直觀的表現(xiàn)為最外面一層面漆迅速形成鼓泡，鏟掉泡沫，流出微小水滴和中間涂層或者底涂層，嚴重處會出現(xiàn)剝落或者返銹，見圖2。

廣州某市政燃氣管道表面涂層起泡（2018年）

深圳某市政燃氣管道表面涂層起泡開裂剝落（2018年）

圖2 耐久性缺陷

3 干濕交替類型的潮濕表面防護涂料的選擇

到潮濕表面的干濕交替服役環(huán)境，涂層的技術(shù)要求應(yīng)同時達到兩個目標：能夠耐受紫外光的照射，在潮濕環(huán)境下能夠抵御水分子的侵蝕。

3.1 干濕交替類型的潮濕表面典型涂料體系和產(chǎn)品

根據(jù)ISO 12944-5:2018，Im1涂料配套的可選方案如表1所示。

表1經(jīng)噴射清理碳鋼基材上浸漬腐蝕性級別Im1下涂料體系的額定干膜厚度

數(shù)據(jù)根據(jù)ISO 12944-5:2018，C5涂料配套的可選方案，如表2所示。

表2 經(jīng)噴射清理碳鋼基材上大氣腐蝕性級別C5下涂料體系的額定干膜厚度數(shù)據(jù)

從表1、表2可得，兩種腐蝕環(huán)境共有的產(chǎn)品類型：富鋅底漆、環(huán)氧或聚氨酯面漆，富鋅底漆包括硅酸乙酯富鋅底漆、環(huán)氧富鋅底漆、聚氨酯富鋅底漆。由于硅酸乙酯富鋅底漆和聚氨酯富鋅底漆并不具有施工上的便捷性或性價比優(yōu)勢，所以，常采用的涂料品種包括：環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧中涂或面漆、聚氨酯中涂或面漆。

根據(jù)ISO 12944-9:2018，海上結(jié)構(gòu)浪濺和潮汐區(qū)（CX和IM4）涂料配套的可選方案，如表3所示。

表3 經(jīng)噴射清理碳鋼基材上浪濺和潮汐區(qū)防護涂料體系及其初始性能的最低要求

一般情況下，相比于海上建筑（離岸設(shè)施），陸地大氣腐蝕環(huán)境中氯離子含量要低很多，所以海上結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)和潮汐區(qū)是陸上潮濕或者干濕交替潮濕表面鋼質(zhì)設(shè)備和管道腐蝕環(huán)境的一個極端。

水滴分割線由于聚氨酯面漆固化劑異氰酸酯是一種水溶解性較強（20℃時6.7%）、易于與水反應(yīng)的物質(zhì)，因此在這類環(huán)境中選用材料時，聚氨酯并非是最外面一道涂層的最佳選擇（量產(chǎn)極少的特種聚氨酯除外），容易引起起泡等缺陷。于是，環(huán)氧涂層成為潮濕表面的面漆最佳選擇。需要注意的是，在保光保色性能方面，環(huán)氧涂層比聚氨酯涂層表現(xiàn)稍顯遜色。

綜合分析表明，在干濕交替的潮濕表面上，防護涂料體系要達到15-25a的設(shè)計年限，兩個典型配套分別為：（一）環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧樹脂面漆（體系總干膜厚度360-450μm）；（二）環(huán)氧樹脂底漆+環(huán)氧樹脂面漆（體系總干膜厚度380-450μm）。

3.2 干濕交替類型的潮濕表面涂料類產(chǎn)品技術(shù)要求

由于干濕交替表面不時會有水汽冷凝，根據(jù)ISO 12944，兩種典型產(chǎn)品（環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧樹脂面漆）及其涂料體系需要具有一系列良好的性能，從而在苛刻腐蝕環(huán)境下滿足高耐久性要求。

具體到產(chǎn)品種類，則需要考慮更多因素，除了能夠耐受長時間浸泡外，還需要達到盡量減少維護的目的。在干濕交替的潮濕鋼質(zhì)設(shè)備和管道運營過程中，很容易出現(xiàn)部分位置未按設(shè)計要求涂裝，從而較早出現(xiàn)如起泡等表面缺陷。

分析認為，干濕交替表面選用的環(huán)氧涂料需要具有以下幾個特性，才能應(yīng)對瞬息萬變的潮濕鋼質(zhì)表面，具體如表4所示。

表4 干濕交替類型的潮濕表面涂料產(chǎn)品最低技術(shù)要求

通過綜合研究涂層缺陷與防護的情況，結(jié)合國際標準，分析界定了潮濕表面腐蝕環(huán)境，基于潮濕表面服役環(huán)境中出現(xiàn)的問題，提出涂料產(chǎn)品選擇依據(jù)、施工注意事項，重點介紹了典型涂料體系（環(huán)氧樹脂富鋅底漆，環(huán)氧樹脂面漆）的技術(shù)要求與其他防護體系的優(yōu)劣性。

來源：涂層與防護

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