大气暴露环境下潮湿表面怎样选用涂料

2019-06-11 14:00:28 changyuan 110

大气暴露环境下潮湿表面怎样选用涂料

自本世纪初,随着经济的快速发展,出现在石油化工、电力、基础设施建设中的动静设备和长距离输送管道越来越多,这些设备和管道构成了生产运营的主体部分,在工业发展中发挥了核心作用。与此同时,由于经常暴露于大气中,太阳光中的紫外线会损害设备和管道表面的涂层,造成老化、粉化等现象;大气中的水汽也会凝聚在设备和管道表面,不断侵蚀涂层,逐渐渗透,直至涂层起泡、开裂和脱落。石化和电力行业工业废气中的氮氧化物和硫氧化物还会形成更为严酷的酸性气体腐蚀环境。


在各种大气腐蚀环境类型中,最为常见也是无法避免的,便是水汽的凝聚。因为大气中的水汽无处不在,四季循环,温度和相对湿度经常变化,设备和管道表面不时会有水蒸气冷凝、挂壁。有些设备和管道的外表面,既经常暴露于太阳光的强紫外线照射之中,又时时刻刻出现水蒸气冷凝,比如架空的市政燃气管道,在调压分段,其管道外表面会形成一层水膜。在这一类腐蚀环境下,要做到涂层防护,是极其困难的,而业主提出的要求是:不黄化、不粉化、不起泡。因此,为潮湿表面选用合适的产品,采用适当的涂装技术,成为保护潮湿表面的两个难题。


1 架空燃气管道潮湿表面腐蚀环境分析

 

同济大学的朱彤对钢质燃气管道温度场进行了详尽的分析与计算,最后得出燃气管道温度场的分布主要与管道埋设方式、管道材料以及输送介质有关,而且输送天然气,管道的整体温升( 或温降) 比输送人工燃气时的幅度要大。泰州中石油昆仑燃气有限公司的邵雷对天然气站场高压管道管壁冷凝水的产生原因进行了详尽的分析,归纳总结为:天然气在进入站场前,需要在上游管道进行降压调压,这一操作会对管道内的高速气流产生明显的节流效应,使管道内的气体温度骤降,通过热传递使管道外表面的温度下降,到达冷凝水的凝点(实为露点),就会使管壁外产生冷凝水,并在过低的温度下出现冰冻现象。


根据ISO 12944-2:2017及其引用的腐蚀环境分析标准ISO 9223,大气暴露下潮湿表面的腐蚀环境,既不同于纯粹的大气暴露腐蚀环境,又不是纯粹的浸泡腐蚀环境,是一种介于冷凝高湿(C5)大气腐蚀环境与水性浸泡(淡水,Im1)环境之间的腐蚀环境。其具体表现为:当钢质燃气管道表面温度低于露点温度(空气相对湿度大)时,管道表面为冷凝水膜覆盖状态,即使用抹布擦干,短时间内(如1min内)表面也会逐渐出现冷凝水膜覆盖的现象,就像人“出汗”一样,见图1。反之,管道表面将无法形成冷凝水,则管道表面呈现一种低温、干燥的状态。管道内气体速度会影响到气体温度,而气体温度会影响到钢质燃气管道表面温度。如果外界温度高,则会影响到管道表面冷凝水膜的挥发速度。由于管道内气体速度和外界温度变化较快,所以,管道表面的腐蚀环境实质是在C5与Im1之间不断交替与往复变化。


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图1 潮湿表面水珠生成微观模拟

 

2 大气暴露下潮湿表面腐蚀环境的危害

 

钢质设备和管道的缺陷常分为两类,一是外观缺陷。主要是指面漆在长期的太阳光(主要是其中的紫外线)照射下产生的如变色、粉化、失去光泽等现象,从而在整体上表现出颜色暗淡、外观不协调等,出现此类缺陷的原因是太阳光中紫外线对涂层高分子化学键的破坏。潮湿与干燥交替的钢结构表面,如果处于大气暴露环境中,其特殊的地方,在于不同部位表面粉化程度不一,没有水膜覆盖的外表面粉化严重,而有水膜覆盖的表面会留存一些降解粉化的漆膜颗粒,降低粉化的视觉呈现,粉化程度一般时,视觉上便难以察觉。


二是耐久性缺陷。主要是指整个防腐涂层体系(包括面漆)的开裂、剥落、鼓泡、甚至锈蚀等现象。这些问题的出现必然影响到钢结构的使用寿命。出现此类缺陷的原因主要是钢结构与外部环境因素综合作用的结果。潮湿与干燥交替的钢结构表面,由于长期处于浸泡,其最直观的表现为最外面一层面漆迅速形成鼓泡,铲掉泡沫,流出微小水滴和中间涂层或者底涂层,严重处会出现剥落或者返锈,见图2。


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广州某市政燃气管道表面涂层起泡(2018年)

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深圳某市政燃气管道表面涂层起泡开裂剥落(2018年)

图2 耐久性缺陷

 

3 干湿交替类型的潮湿表面防护涂料的选择

 

到潮湿表面的干湿交替服役环境,涂层的技术要求应同时达到两个目标:能够耐受紫外光的照射,在潮湿环境下能够抵御水分子的侵蚀。


3.1 干湿交替类型的潮湿表面典型涂料体系和产品

 

根据ISO 12944-5:2018,Im1涂料配套的可选方案如表1所示。


表1经喷射清理碳钢基材上浸渍腐蚀性级别Im1下涂料体系的额定干膜厚度

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数据根据ISO 12944-5:2018,C5涂料配套的可选方案,如表2所示。


表2 经喷射清理碳钢基材上大气腐蚀性级别C5下涂料体系的额定干膜厚度数据

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从表1、表2可得,两种腐蚀环境共有的产品类型:富锌底漆、环氧或聚氨酯面漆,富锌底漆包括硅酸乙酯富锌底漆、环氧富锌底漆、聚氨酯富锌底漆。由于硅酸乙酯富锌底漆和聚氨酯富锌底漆并不具有施工上的便捷性或性价比优势,所以,常采用的涂料品种包括:环氧富锌底漆、环氧中涂或面漆、聚氨酯中涂或面漆。


根据ISO 12944-9:2018,海上结构浪溅和潮汐区(CX和IM4)涂料配套的可选方案,如表3所示。


表3 经喷射清理碳钢基材上浪溅和潮汐区防护涂料体系及其初始性能的最低要求

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一般情况下,相比于海上建筑(离岸设施),陆地大气腐蚀环境中氯离子含量要低很多,所以海上结构浪溅区和潮汐区是陆上潮湿或者干湿交替潮湿表面钢质设备和管道腐蚀环境的一个极端。


水滴分割线由于聚氨酯面漆固化剂异氰酸酯是一种水溶解性较强(20℃时6.7%)、易于与水反应的物质,因此在这类环境中选用材料时,聚氨酯并非是最外面一道涂层的最佳选择(量产极少的特种聚氨酯除外),容易引起起泡等缺陷。于是,环氧涂层成为潮湿表面的面漆最佳选择。需要注意的是,在保光保色性能方面,环氧涂层比聚氨酯涂层表现稍显逊色。


综合分析表明,在干湿交替的潮湿表面上,防护涂料体系要达到15-25a的设计年限,两个典型配套分别为:(一)环氧富锌底漆+环氧树脂面漆(体系总干膜厚度360-450μm);(二)环氧树脂底漆+环氧树脂面漆(体系总干膜厚度380-450μm)。


3.2 干湿交替类型的潮湿表面涂料类产品技术要求

 

由于干湿交替表面不时会有水汽冷凝,根据ISO 12944,两种典型产品(环氧富锌底漆、环氧树脂面漆)及其涂料体系需要具有一系列良好的性能,从而在苛刻腐蚀环境下满足高耐久性要求。


具体到产品种类,则需要考虑更多因素,除了能够耐受长时间浸泡外,还需要达到尽量减少维护的目的。在干湿交替的潮湿钢质设备和管道运营过程中,很容易出现部分位置未按设计要求涂装,从而较早出现如起泡等表面缺陷。


分析认为,干湿交替表面选用的环氧涂料需要具有以下几个特性,才能应对瞬息万变的潮湿钢质表面,具体如表4所示。


表4 干湿交替类型的潮湿表面涂料产品最低技术要求

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通过综合研究涂层缺陷与防护的情况,结合国际标准,分析界定了潮湿表面腐蚀环境,基于潮湿表面服役环境中出现的问题,提出涂料产品选择依据、施工注意事项,重点介绍了典型涂料体系(环氧树脂富锌底漆,环氧树脂面漆)的技术要求与其他防护体系的优劣性。

来源:涂层与防护



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