周建龙，王箫然，潘 莹，胡洋
摘要：通过具体剖析保温层下碳钢的腐蚀行为及机理,指出目前市场上使用的保温层下各种涂层体系的优缺点,重点对一种基于无机共聚物为成膜物质的单组分涂料Jotatemp 650在保温层下的作用原理、性能进行了深入探讨,其成功现场应用可以为彻底解决保温层下的腐蚀问题提供重要参考,该涂料在新建和维修领域具有广泛的应用前景。
0 前言
保温层下腐蚀(Corrosion Under Insulation，简称CUI)是指发生在包裹保温材料的管道或设备外表面上的一种腐蚀现象。仅仅石化行业每年因为保温层下钢结构的腐蚀造成的损失可达数十亿美元，不仅造成设备故障与停工，产品泄漏，维修成本大量增加，严重的甚至可能造成伤亡事故。不仅如此，在海洋环境下管道保温层、核电厂一回路、二回路、相关辅助系统设备及管线的保温层下的腐蚀也是不容忽视的重要问题，直接关系到设备及管线的安全。
近些年来，随着大量保温层下腐蚀造成严重事故的发生，业内对保温层下金属的腐蚀研究逐渐重视，并取得了初步成果。研究表明，施加了保温结构的设备或管道，运行5 a后发生保温层下腐蚀的概率将大幅上升，使用10 a后的保温层60%都含有腐蚀性冷凝水，极大地提高了CUI发生的概率。Geary W.对炼油装置一段保温管线的腐蚀失效行为进行了研究，发现水分渗透入保温层内是造成腐蚀的原因，并发现水中含有氯化钠及其他工业污染物，这与KaneR. D和Norsworthy R.等的研究结论相一致。姜莹洁等自行设计和建造了CUI模拟试验装置，研究了20钢在模拟条件下的保温层下腐蚀行为，认为腐蚀介质浓度、环境内氧含量及温度都影响CUI腐蚀速率，但温度起主要作用，干湿交替环境下的腐蚀较冷热交替和恒温环境的腐蚀更为严重。目前国内外对与保温层相关的研究主要集中在保温材料的研制与选择、带保温层缺陷的分析与检测等领域。由于保温材料并不能实际解决保温层下金属腐蚀的问题，针对该腐蚀问题，提出有效的解决措施尤其重要，而这方面的研究虽然开始有所涉及，但远远不够深入，因此本文通过分析保温层下用量最大的碳钢的腐蚀机理，提出保温层下的碳钢腐蚀防护的有效解决方案，希望为彻底解决保温层下碳钢或其他金属的腐蚀问题提供一定思路。
1 保温层下碳钢的腐蚀行为及机理
大多数碳钢高温设备/管线都会包裹很厚的绝热或保温套管，以节约能量、保护设备。国外的研究数据表明：80%的保温层下泄漏发生于管道系统，其中服役16～20 a的管道最容易发生泄漏，其次为服役25 a以上的管道，如图1所示。造成这种现象的原因在于国外的管道防腐保护普遍采用了有机涂层体系，其防护寿命本身就达到5～13 a。
高温设备/管线的保温层外往往采用外防护层包裹，有时在保温层与外防护层间还采用一道防潮层(更多现实场合无防潮层)，在保温层下则施加一定厚度的涂层体系对基材进行保护，其结构如图2所示。
外防护层是防止碳钢发生保温层下腐蚀的第一道屏障，以保护保温层系统免于受到机械或气候伤害，阻止或减少外部水分或腐蚀介质的进入和驻留，其多为彩钢板、铝板或不锈钢材料。其下的防潮层虽在一定程度上可以延缓潮气侵入，但潮气一旦介入，便难以出去，而更多的场合没有防潮层。绝热层或保温层是对管道或设备外进行隔热保温的重要组成部分，是包裹在管道或设备外面的第二道主要屏障。保温层所用材料多为硅酸钙、岩棉及矿渣棉制品、玻璃棉、硅酸铝棉、珍珠岩或泡沫塑料，尽管对热量具有很好的隔绝效果，但由于它们属于毛细结构，特别容易吸附水分，因此不仅难以阻止水汽的入侵，而且难以阻止水汽向外渗透。实践表明，几乎没有保温材料可以避免保温层下碳钢结构发生腐蚀。
尽管对碳钢基材进行了多重保护，然而事实上，碳钢结构在“隔湿”保温层下所经历的腐蚀环境，可能是防护涂料行业内所遇到的最具腐蚀性的环境之一，因此保温层下的腐蚀行为引起了国外研究者的广泛关注。1985年颁布了ASTM STP880；1998年，美国腐蚀工程师协会综合了各方面的研究成果，正式出版了NACE RP0198以专门规范保温层下腐蚀的防护问题，2004年和2010年分别对该标准进行了更新。
最新标准NACE SP0198-2010从腐蚀机理、结构设计、保温材料选择、防腐蚀涂料选择等方面非常详细地介绍了保温层下腐蚀的产生和预防手段，具有极强的指导意义。
该标准对碳钢的腐蚀机理进行了说明，指出：碳钢受到腐蚀不是因为被保温层保护，根本原因在于和水汽的接触。保温层带来的CUI问题由以下3个原因造成：
(1)环形空间或缝隙所滞留的水分和其他腐蚀性介质；
(2)吸水性或浸润性好的保温材料；
(3)能带来污染物或加速腐蚀的保温材料。
保温层下的水汽主要来自外界的水汽渗透和冷凝两个方面。由于外界保护材料的设计缺陷、安装施工差、机械损伤、疏于维护等原因，都会使水汽进入保温层。当金属表面温度低于环境露点温度时，水汽也会凝结在金属表面。一旦水汽进入保温层内，便在碳钢表面形成一个长期封闭的腐蚀微环境中，保温层的毛细结构和其本身吸湿性材料会加速腐蚀微环境的形成。设备的运行温度同样也会很大程度影响到腐蚀的发生：温度越高，水汽停留在碳钢表面的时间就越短；但是温度越高，腐蚀速度加快，从而降低防护涂料的使用寿命。
图3显示了不同温度下碳钢在有水情况下的腐蚀速率。在开放系统下，水中氧含量随着温度升高而降低。但当温度高于80 ℃时，碳钢在含氧水中的腐蚀速率开始下降。在封闭系统下，碳钢腐蚀速率随温度升高而上升，现场测得在保温层下腐蚀类似于封闭系统下的腐蚀情况，这与保温层下的腐蚀机理有关，其薄液膜中氧含量是饱和的，因此，与在封闭系统中一样，会形成氧浓差电池。现场测试数据会比实验室数据更高，这是因为水汽中溶解或保温层带来的盐分具有高溶解性，会增加水膜的导电率，从而加速碳钢腐蚀。
现场经验显示(图4)，在冷热循环冲击(热振)下，碳钢的腐蚀行为有很大的差异。当温度在-4～175 ℃时，由于处于相对冷、潮湿的环境，碳钢在保温层下最容易发生腐蚀。当设备温度低于-4 ℃时，由于温度很低，水凝固成冰，一般没有腐蚀，但由于水凝固造成膨胀，可能产生较高的应力；当温度高于175 ℃时，由于碳钢表面热得足以保持干燥，因而设备也很少发生腐蚀。但是一旦当设备因停机检修或闲置时，温度将低于175 ℃，水汽迅速进入保温层，并且水汽长时间滞留在保温层内，因此腐蚀会很快发生。保温层下腐蚀的严重性在于无法及时发现。如前所述，一般为了美观和保护效果，往往在保温材料外面包覆一层不锈钢或铝箔。因此，往往发现保温层下腐蚀时已经太迟，经常导致各种失效事故发生。尤其是当运行温度低于150 ℃时，保温层下往往会存在一定量的冷凝水。另外，保温层下设备在建造期和定期的检修时间内也会形成腐蚀发生的微环境。对于石化行业，由于该行业涉及到很多不同工艺，因此保温层下的腐蚀还有其特殊性，在保温层下钢结构往往要经历热循环过程。传统高温涂料由于热膨胀系数与钢铁不同，经历热循环往往导致涂层内应力增加，经过反复多次热循环过程，最终造成涂层的早期失效，因此其防护成为业界的一个重要课题，随着近些年管道设施的大量增加以及安全事故的不断出现，彻底解决保温层下腐蚀问题已经是当务之急。
2 保温层下的碳钢腐蚀解决方案
早期的钢结构基本都没有考虑保温层下的腐蚀现象。正如美孚的技术专家所言：当建造我们的工厂时，钢结构并没有在第一时间做好适当防护，原因是当时业内人士并不理解保温状态下的钢构件所处的腐蚀环境几乎与浸泡环境相同或更糟，所以正确的涂层系统没有被采用。结果，几乎每个运营15 a以上的装置或设施中的保温部分下的钢表面都没有受到应有的防腐蚀保护。所以保温层下的腐蚀是因我们无知而产生的现象。
对此，NACE RP0198-2010提出：保温层下防腐最为有效的方法是采用高性能涂料，如表1所示。表1为保温层下的涂层选择提供了参考，要求这些涂料不仅需要具有优异的防腐性能，同时需要具有长期的耐温性能。
图5显示了不同类型耐高温涂料的耐温性。尽管这些涂料在不同温度区间具有不同的耐高温特性，但并不是每一个产品都适合用于保温层下的长效防腐蚀保护，这与其自身特性密切相关。
研究表明：传统的涂料在保温层下的防腐蚀效果并不理想。这是因为：当置于保温层下高温高湿的严酷腐蚀环境，传统的高温涂料，其耐蚀性和耐高温性能往往难以兼顾，因此不太适合于设计防腐年限较长的保温层防腐。如酚醛环氧耐高温涂料，尽管可以厚膜施工，并具有优异的耐蚀性，但对涂层厚度控制以及喷涂工艺要求较严格，在热循环和热冲击下抵抗力差，最高耐温为200 ℃左右，从而限制其在更高温度下的应用。而石化行业以前在保温层下经常使用的无机硅酸锌防腐涂料，近年来研究表明：在60～120 ℃条件下金属锌可能与铁发生电化学极性反转，锌粉对于钢结构变成了阴极；同时，锌在50～150 ℃水中反应迅速，在封闭潮湿环境中不能对碳钢提供足够的防腐蚀保护，因此NACE RP0198-2010规定，在50～175 ℃的保温层下禁止使用无机硅酸锌涂料。Fischer等研究证实热喷铝涂层能有效预防碳钢在保温层下的腐蚀，其性能比传统有机涂层优越，防护寿命可达20～30 a。由NACE RP0198-2010可知，热喷铝涂层的最高耐温可达595 ℃。但由于热喷铝工艺对表面处理要求极高，除锈应达到Sa3级严格要求，表面粗糙度需达到75 μm以上，对现场施工及环境要求都极高，按照目前的施工设备及管理水平几乎很难达到要求；而且由于喷涂后表面粗糙度很大，总体成本非常高，从而极大程度上限制了其使用。而有机硅铝粉耐高温涂料尽管具有优异的耐高温性能，但是由于一次施工膜厚太低，导致施工道数很多，而且当总膜厚较高时，涂膜容易造成开裂现象。并且一旦停工检修，温度降低，涂层整体防腐性能有限，也限制了其大规模应用。
有机硅或硅酮涂料通常可耐高达600 ℃以上的高温，然而，它们缺乏其他涂料所具有的附着力和基本强韧性。为了改善这些基本性能，通常加入丙烯酸或醇酸树脂[图6(a)]进行改性。然而，这些树脂会在200 ℃以上发生分解，形成大量孔洞，结构上产生缺陷，如同瑞士奶酪[图6(b)]，从而影响其防腐性能。另外，有机硅高温涂料产品固含量很低，因而干膜厚度很低，使得涂膜完全覆盖因表面处理形成的粗糙度比较困难，从而造成其使用寿命大幅降低。
近些年，佐敦涂料开发了一种基于无机共聚物为成膜物质的单组分涂料产品Jotatemp 650，彻底解决了运行温度不高于650 ℃管道或设备保温层下的腐蚀问题。
3 实际案例
Jotatemp 650是一种厚浆型、单组分的惰性共聚物涂料，专门用于处于绝热或非绝热状况下极端高温和/或极端低温环境下碳钢和不锈钢底材的防腐蚀保护。该产品基于无机共聚物成膜，为了增强附着力和耐蚀性，采用有机组分进行改性，一次成膜厚度可达100～150 μm，该产品通常采用2道125 μm，总干膜厚度250 μm的涂层配套体系。根据腐蚀环境和耐久性要求，在对防腐蚀要求特别高、耐久性超高的场合，也可以采用3道125 μm，总干膜厚度375 μm的涂层配套体系，从而可完全覆盖粗糙碳钢表面，为基材提供持久的厚膜屏蔽保护。
Jotatemp 650无牺牲阳极组分，不会发生极性反转等问题，在干燥环境下的可耐受温度范围为极端低温-185 ℃到650 ℃以上高温(耐非持续短时间环境高温峰值达750 ℃)，运行温度满足绝大多数炼厂和化工厂设备的最高设计运行温度。传统涂料在不同温度下性能变化很显著，如在极端低温环境下会变得很脆，没有弹性，该厚浆型无机惰性共聚物涂料通过了-185～540 ℃高低温循环(热振)试验测试，表明其热膨胀系数很小，这与其采用无机树脂密切相关。由于其为单组分涂料，不存在双组分涂料常常出现的混合配比问题，因而施工方便，性能稳定。Jotatemp 650最大的特性之一是其可涂装在温度最高达400 ℃的底材表面，专业人员通过薄涂多道的刷涂或喷涂施工方式，可实现高温下设备不停车施工，这种性能是其他传统涂料所不具备的。当碳钢表面的温度达到并超过100 ℃时，保温层下的水将产生汽化现象，这个温度范围对任何一种隔热保温环境下的防腐蚀涂层系统要求都极其苛刻。经测试表明：Jotatemp 650在沸水下蒸煮数百小时不起泡不脱落，附着力很强，能够特别有效地抵御汽化临界面的侵蚀影响。因此，其不仅特别适合在新建和停产的常温阶段对碳钢表面进行涂装，也特别适合在高温下要求碳钢设备不停工的场合用于维修涂装，同时特别适合施工在工艺升级中那些已经过预涂装，并处于重新保温过程中的碳钢部件。通过避免或者大幅缩短停工时间，为机器提供实时防腐蚀保护，为设备连续运行提供了重要保障，简化了维护施工过程，节约了大量时间成本，从而为企业创造巨大的经济效益。不仅如此，其固含量高达76%，一定程度上降低了VOC排放量，因此，相对于固含量较低的有机硅耐热涂料等有机涂料，大大增强了环保性。
Jotatemp 650也是一种具有高表面容忍度的涂料。该涂料可接受采用手工或动力工具进行表面处理，处理等级最低可到St2级。也可以采用湿喷砂或高压水喷射处理工艺，如果改善表面处理等级，如喷砂清理至Sa2.5级，可以进一步提高涂层的性能质量。建议粗糙度为35～50 μm。在进行维修时，残留的旧涂层会影响新涂层系统的耐温范围和寿命周期，因此需要清除干净。另外，该产品不仅可以用于碳钢表面，也可用于其他底材(如不锈钢、镀锌件、富锌、热喷铝等)表面，因此使用范围非常广泛。其具有如此高表面容忍度的原因在于该产品所采用的树脂粒径非常小，对基材具有很强的渗透性能(见图7)。同时，该涂料不需要特殊的施工设备，一般采用无空气喷涂施工，小区域面漆可以采用刷涂施工，只需要保证膜厚达到规定要求，其性能将可以得到保证。在高温下施工时，为了避免溶剂滞留造成涂膜缺陷，可以采用薄涂多道的方式进行处理。由于盐分的存在会导致水更容易吸附在涂膜表面，从而影响Jotatemp 650的最终性能，因此在整个表面处理过程中需要避免带入含盐组分。
厚浆惰性共聚物耐高温涂料Jotatemp 650在保温层下具有优异防护性能的关键在于其具有独特的“呼吸”功能。当停车期间温度低于100 ℃时，由于温度相对较低，其独特的无机树脂结构使得膨胀系数较小，尽管保温层下的水汽会逐渐向基材表面渗透，但渗透速率非常缓慢，完全渗透到碳钢基材表面需要8～12个月的时间[图8(a)]；而一旦温度升高到200℃以上，碳钢基材受热后，热量迅速向Jotatemp 650表面传导，由于温度高，分子震动幅度大，加上保温材料的强烈吸附作用，水汽从涂层向保温材料扩散速度很快，一般水汽数个小时内即可被完全驱出涂层系统，涂层迅速复原[图8(b)]。由于该产品具有优异的热振性能，因此，只要设备不是长期停工检修或闲置(8～12个月甚至更长时间)，其在保温层下将具有长期耐蚀性，从而保护了碳钢基材，从根本上解决了保温层下的腐蚀问题。
Jotatemp 650的另外一大优点是干燥速度快，最小覆涂时间间隔很短，可以高温下施工。表2为Jotatemp 650在良好通风、125 μm干膜厚度下测得的干燥时间和最短覆涂间隔试验数据。表2显示，在常温(23 ℃)下，125 μm的涂层6 h后已经硬干，即可覆涂，在1 d内可以完成整个涂层配套体系的涂装，因而大大提高了施工效率，节约了时间和金钱。在更高底材温度(如100 ℃)下，Jotatemp 650的最小覆涂时间间隔可缩短至1 h，因此，特别适合于工期紧张的新造和维修项目。由于其可涂装于温度最高达400 ℃的底材表面，因此，在不能停工的高温场合，可以发挥其最大的作用。
自Jotatemp 650问世以来，由于其简化了维修方案，能够避免或减少停车时间，非常适于涂覆于那些保温层失效后准备重新包覆保温层的工艺设备/管道上，因而在全世界范围内得到了大量应用。如阿布扎比国家石油公司的全资子公司阿布扎比天然气工业有限公司在其内部技术文件中推荐使用该产品来预防CUI的产生，用来全部替代热喷铝。在南非，Jotatemp 650被用于对高温管道进行保温层下防腐蚀处理。结果显示在使用1 a后涂层表现优异，没有任何鼓泡、脱落分层等缺陷出现，很好地阻止了CUI的产生。在美国Jotatemp 650被用于壳牌石油旗下炼油厂碳钢表面的保温层，结果显示在使用3 a后涂层体系完好如新。正是由于Jotatemp 650优异的防腐、施工性能保证了其在极端环境下对钢材表面的完美保护。
4 结语
目前国内相关保温层结构设计标准中，人们更多关注保温层结构设计来进行能量控制，对CUI认识低，防腐相关设计说明非常少，造成了在实际工程建设中往往忽视保温层下防腐施工。尽管保温层结构和材料选用非常重要，要想保证整个体系长效防腐，必须针对保温层下腐蚀特性，采用具有高性能的涂层配套体系。Jotatemp 650由于具有高固含量、低表面处理、可在400 ℃高温基材表面涂覆施工、长期耐温最高达650 ℃(间歇峰值达750 ℃)、无需专业涂装设备、无需特别施工准备、无需因涂层施工而特意停车等优点在管道或设备的保温层下防腐占用重要的地位，其应用前景将会极其广泛。
文章发表于《中国涂料》 2015年02期
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