哈雷釬焊板式換熱器
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                對石化換熱器涂鍍層厚度過薄的質疑

                點擊:1612 日期:[ 2014-04-26 21:57:49 ]
                                     對石化換熱器涂鍍層厚度過薄的質疑                                 余存燁                   (上海石化股份有限公司,上海200540)     摘要:鋼制換熱器防腐蝕多采用有機涂層與Ni-P化學鍍層。但國內制定的標準與提供的產品涂鍍層厚度顯得過薄,會影響其使用壽命。因此,對該問題進行探討,并提出建議。     關鍵詞:換熱器有機涂層Ni-P化學鍍腐蝕保護     中圖分類號:TG174.44文獻標識碼:A文章編號:1008-7818(2010)03-0022-03     換熱器是石化裝置最大宗的設備,它的腐蝕較重,更換量較大,因而多種防護措施不斷涌現,其中有機涂層與Ni-P化學鍍層最為重要,也是應用最普遍的。但目前頒布的標準規范與提供的產品,涂鍍層厚度顯得過薄,這樣對換熱器使用壽命提出了嚴峻的挑戰。下面就換熱器的有機涂層與Ni-P化學鍍層的厚度過薄問題分別作分析。     1·有機涂層換熱器涂層厚度過薄的質疑     1990年中國石化總公司生產部責成上海、大慶、燕山與獨山子石化編制了“碳鋼水冷器防腐涂層技術與質量檢驗暫行規定”,規定涂層厚度為200±50μm,經多年的應用實踐,證明基本上是行之有效的[1]。但近年公布的石化行業標準SH/T 3540-2007“鋼制換熱設備管束復合涂層施工與驗收規范”中規定有機涂層總厚度為150±30μm,也就是說其規定的最小涂層總厚度僅只有120μm,如按80-20原則規定8 0%的測量值應達到≥120μm,而有20%的測量值僅達到96μm也算合格了,顯然這種涂層厚度對水冷器實際使用來說可能太薄了,會嚴重影響其使用壽命。雖然該標準認為采用“復合涂層”,其涂層總厚度可相應減薄,但實際上所謂“復合”,僅是經磷化處理,磷化可增加涂層與鋼基體的結合力,而不能提高抗介質滲透能力,涂層總厚度是防腐蝕的關鍵,這是不能忽視的。應當指出該標準僅提出“經化學處理形成活化膜”,而不是磷化。筆者是經考證該標準編制單位1989年的專利CN1031723A而確認是磷化的。     1.1涂層過薄對耐蝕可靠性的影響     如果涂層太薄,容易出現漏點與針孔。即使沒有漏點針孔等缺陷,介質中氧、水、Cl-、SO4-也會透過較薄的涂層,因為涂層總有一定的透氣性,其氣孔平均直徑為10-5~10-7cm,而水和氧的分子直徑僅為幾個埃(Ao,lAo=0.1nm),故涂層很薄容易通過。涂層不僅存在分子滲透性,還存在離子滲透性,水分子可解離成H+與OH-,這些離子能和構成涂層的聚合物電離基進行離子交換,并從聚合物密度較小部位或空隙處擴散進入,或經涂膜微氣孔在毛細管作用下進入,或經填料或顏料與基料間界面滲入,由于介質水對涂膜不斷滲透,會在涂層與鋼基體界面形成積水層,從而最終造成涂層鼓泡破壞。此外涂層太薄,在流速較大時,容易早期被沖刷磨耗。因此,只有達到一定的涂層厚度,才能較好地抗介質的滲透、侵蝕與沖刷。     1.2有關涂層標準規范的參照一般認為涂層干膜總厚度是決定換熱器防腐效果和使用壽命的重要因素之一,大致占20%。因此,有關涂層標準規范對設備及結構的涂層總厚度均有規定。如:     (1)GB 50046“工業建筑防腐蝕設計規定”涂層厚度,見表1。     (2)SY/T 0319-1998“鋼制儲罐液體環氧涂料內防腐層技術標準”中編制說明,見表2。                     (3)SH 3022-1999“石油化工設備和管道涂料防腐蝕技術規范”涂層厚度-(μm),見表3。                     (4)HG/T 20679-1990“化工設備管道外防腐設計規定”基本同SH 3022-1999的規定。     (5)上海石化從德國引進的芳烴聯合裝置中的水冷器索卡酚涂層,筆者曾實測平均涂層厚度約為300μm,最大達350μm,較為豐滿。     參照上述有關數據,考慮到換熱器主要是水冷器,其工業循環水,雖經水質處理,含有緩蝕阻垢劑,但仍含有Cl-等侵蝕性離子,對碳鋼來說屬中等腐蝕環境,而對海水因含有NaCl、MgSO4等鹽類,則應屬較強腐蝕環境,又有流動沖刷工況,這不能與一般戶外及工業大氣環境等同。所以,換熱器內外涂層應比一般鋼結構及管道涂層要求更高。     1.3施涂工藝的局限性     換熱器管束涂裝施工,主要采用循環灌涂,為保證流暢,涂料中添加稀料(溶劑)較多,粘度較小,不像刷涂與輥涂,要達到較厚的涂層有些困難,為達到較厚涂層,就需采用多道涂,如對TH-847涂層結構均為底-底-面-面-面-面,即二底漆四面漆。一道涂好表干后進烘房至160℃保溫2h后,出爐冷卻,再涂第二道,依次類推,而最后一道要升溫至200℃保溫2h。因此,施涂工藝較為繁瑣冗長,要達到較厚涂層實屬不易,因此,施工方總希望涂層總厚度規定相對薄些。但只要按規程操作,涂層總厚度達到200μm完全可能。     1.4建議     參照上述標準規范,同時考慮施涂工藝的難度,建議換熱器涂層總厚度為200±30μm較為適宜。當然從耐蝕角度講最好厚些,如德國索卡酚涂層達到300μm,但從施涂費時費料來說不太經濟,而且對換熱器導熱性來說也不利。因此,采取最佳平衡值較好。此外,在確保200μm涂層總厚度基礎上,為提高涂層抗滲性,可在專用涂料中添加10%的玻璃鱗片,通過再添加偶聯劑及助劑改善施工性能?;蚋挠靡验_發的鈦納米環氧聚合物涂料進行管束施涂可能更好。     2·對Ni-P化學鍍換熱器鍍層過薄的質疑     根據GB/T13913-92“自催化鎳磷鍍層技術要求和試驗方法”中附錄:“對于輕微腐蝕環境鍍層厚度可低于10μm,對于中等腐蝕環境鍍層厚度為10~25μm,對于惡劣的腐蝕環境鍍層厚度為50μm”。因此,目前國內換熱器Ni-P鍍生產單位如南京、山東等對鍍層總厚度多規定為50μm。這種鍍層厚度對換熱器實際使用來說可能過薄。尤其在含氯離子的介質中曾經發生過失效。     2.1鍍層太薄對耐蝕可靠性的影響[3]如鍍層太薄,其孔隙率相對較高,介質容易滲入基層,由于在腐蝕環境中Ni-P合金較碳鋼電位正,存在電位差,如在自來水中電位差達650mV,因此,碳鋼上的Ni-P鍍層為陰極性鍍層,當鍍層有孔隙時,由于電介質的侵入,會產生電偶腐蝕,在大陰極小陽極情況下,促發孔隙處鋼基體針孔型點蝕穿透。一般認為陰極性鍍層空隙處鋼基體電偶腐蝕由電阻控制,當鍍層較薄時,由于有較多微孔與較小的通道長度,則流經的腐蝕電流阻力較小,反之增加鍍層厚度,則可大大提高腐蝕電流電阻,從而有可能降低電偶腐蝕。此外鍍層過薄,其阻礙介質侵蝕與沖蝕能力相對較低,因此,為提高換熱器鍍層使用壽命要求較厚的鍍層。     筆者曾自行制作Ni-P化學鍍碳鋼管(φ25×50mm)若干根,作常溫浸漬試驗,結果如表4。     從試驗結果可見,(1)較薄的鍍層易早期損壞,(2)鍍前粗糙的易早期損壞,(3)臥式管朝上面鍍層粗糙易損壞,(4)鍍層較薄與孔隙多易導致電偶腐蝕并橫向發展,使鍍層整體剝離。尤其對含Cl-的介質最容易滲入孔隙造成鍍層破壞。     2.2有關文獻對鍍層厚度的要求     對于化工及石油工業應用,通常Ni-P鍍層厚度應比75μm更大,也有可能鍍層厚度比250μm更大,但僅用于產品修補。根據文獻[4],Ni-P鍍層對一般耐蝕用途厚度從50μm到100μm,特別強調對于耐蝕性應用鍍層厚度75μm為最低限度,但當遇到粗糙表面則應取上限厚度。根據文獻[5],化學鍍Ni-P在化工設備上應用,對耐蝕與耐沖蝕使用的熱交換器、泵、閥、渦輪機等鍍層厚度為75μm,對耐蝕與提高產品純度使用的反應容器鍍層厚度為100μm??傊?,歐美文獻對Ni-P鍍層用于耐蝕與沖蝕環境其厚度應是≥75μm。     2.3施鍍工藝的局限性     按現場施鍍經驗,對Ni-P鍍層>50μm的要求,尤其對換熱器管子內壁一般很難達到。這是因為對工件大又形狀復雜的設備施鍍難度較大,由于化學鍍Ni-P一般沉積速度很慢,約7~10μm/h,并且隨時間延長,鍍速越來越慢,在一般條件下,施鍍過程又較難調整工藝參數(pH、溫度和諸成分含量),加之鍍液固有的不穩定性,自分解傾向較大,因此,Ni-P化學鍍要滿足耐蝕性的較厚鍍層很不容易。但只要掌握科學的施鍍工藝,改進配方,較厚的鍍層還是可以達到的。     2.4建議     參照歐美文獻,同時考慮施鍍的可能性,建議Ni-P化學鍍層厚度為70±5μm較好,由于達到基本無孔隙,這樣能確保換熱器鍍層較長的使用壽命。此外建議如Ni-P鍍層厚度很難達到預期要求,可考慮如某防腐公司開發的復合涂鍍層工藝,即采用底層為15~20μmNi-P鍍層,鍍后進行化學活化生成金屬間化合物,再在表層涂含氟有機涂料,經高溫烘烤,使表層與底層能交聯固化鍵合。這種復合涂鍍層具有較傳統的Ni-P鍍層或有機涂層更高的耐蝕性能[6]。也可以采用Ni-Mo-P化學鍍代替Ni-P鍍。     參考文獻     [1]余存燁.國內涂層換熱器防腐涂料及工程應用.化工設備設計,1998.35(2)45~50     [2]余存燁.Ni-P鍍層換熱器失效分析探討.石油化工腐蝕與防護,2001.18(6)42~45. [3]Robert P.Trecy Gary J Shawhan Practicalguide to using Ni-P  electroless nickel coat-ings Materials Performance 1990.July65~70. [4]Ronald.N.Duncan Perfomance of electro-less nickel coated steel in  oil field environ-ments Materials Performance 1983January28~34.     [5]閆洪.現代化學鍍鎳和復合鍍技術國防工業出版社,1999.     [6]余存燁.石化換熱器防腐蝕涂裝與鍍覆技術及其進展.石油化工腐蝕與防護,2001.18(5)5~8.
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