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热反射复合涂层的设计和性能研究,长期受阳光曝晒的石油化工储罐存在着降温和长效防腐的综合问题
2020年02月22日    阅读量:1978     新闻来源:中网信息    |  投稿

石油化工行业的储罐外壁长期暴露于户外,由于太阳辐射和环境腐蚀的作用,带来了诸多问题。在夏季,即使储罐表面涂覆有普通漆膜,罐内油品温度仍可达50℃以上。


如果不进行降温处理,罐内油气等化工原料很容易挥发,造成油品“呼吸”消耗,还会造成罐壁承受巨大压力,使得储罐的安全性能和使用寿命降低中国化工网okmart.com。强烈的太阳辐射还会加速材料的腐蚀、老化和降解速度,使钢结构材料难以保持良好的机械和化学性能,从而限制了它们的应用。


行业内通常采用喷淋等降温措施,减少物质挥发,保证油气储罐的安全运行。但是喷淋装置不仅浪费了大量水电资源,还会给罐体带来电化学腐蚀,不能从根上解决钢结构建筑的长效防护问题。


热反射涂层是一类能够通过反射光和减缓热传递来显著降低或防止物体表面和内部由于太阳辐射而引起温度升高的涂层。目前,热反射涂层技术应用相对比较成熟并已市场化,但这种涂层在储罐应用过程中,存在着长效腐蚀抗力差的问题(如涂层易开裂、腐蚀介质易渗入、附着力差等),而耐蚀性同样是影响储罐安全运行的重要因素,因此研制热反射长效防护涂层技术很有必要。


热喷涂牺牲阳极涂层表现出优良的耐蚀性能,利用热喷涂技术改善热反射涂层的防护能力,是钢结构进行长效防护行之有效而又经济的方法。基于此,本方法通过隔热、耐蚀和附着力测试等试验对改进后的热反射复合涂层的综合性能进行了评价。

 

1 实验过程

1.1 复合涂层材料设计

使用热喷涂牺牲阳极涂层做耐蚀底层,使用热反射层做降温面层。其中,牺牲阳极涂层选用热喷涂锌铝合金涂层,热反射层选用市售阿罗牌热反射面漆。采用三类对比试样,第Ⅰ类为无涂层试样,第Ⅱ类为防锈底漆-热反射面漆试样(底层为传统的市售铁红醇酸防锈底漆,面层为市售阿罗牌热反射面漆),第Ⅲ类为锌铝合金底层-热反射面层试样(底层为锌铝合金电弧喷涂涂层,面层为市售阿罗牌热反射面漆)。

1.2 试样制备

试样按照以下步骤进行制备:

(1)选取规格为150mm×70mm×5mm的Q235钢板作为基体材料,制样后进行酸洗除锈并用酒精清洗。

(2)使用CMD-600RM 型射吸式喷砂机对试样表面进行喷砂粗化处理,空气压力为0.6MPa,喷砂距离为40~60mm,并将试样标记分类编号。

(3)利用后推式ZPG-400B型电弧喷涂机和XTQ-1型喷枪对第Ⅲ类试样进行高速电弧喷涂。涂层喷涂材料为直径2mm的锌铝合金丝,含铝量在15%左右,喷涂电压25V,喷涂电流150A。使用TT-220的数字式覆层测厚仪控制喷涂厚度150~200μm。

(4)利用PQ-1A型空气喷枪对第Ⅱ类试样和第Ⅲ类试样进行底漆和面漆的涂料涂装。喷涂好的试样平放于空气干燥箱中。各道漆的干燥条件、时间以及喷涂厚度均按产品标准中的规定执行。

1.3 涂层测试方法

根据相关文献,自制隔热性能模拟测试装置测定涂层的隔热降温效果,测试装置结构如图1。将不同类型涂层试样放在泡沫保温箱上,有涂层的一面朝上,将碘钨灯置于试样的正上方约60cm;使用TES1310的测温仪获得不同类型涂层试样的上表面位置温度、下表面位置温度和箱内位置温度的一系列温度数据,通过对比分析来评价涂层的隔热降温效果。

装置测试条件:环境温度不变、光源位置固定、空气对流较小。

隔热性能模拟测试装置结构示意图

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根据GB/T 1771-2007[9],利用YWX/Q-750型盐雾试验箱进行中性盐雾加速腐蚀试验。试样经过连续时间的加速腐蚀试验,通过对其腐蚀形貌的分析评级来评价试验涂层的耐腐蚀和防护能力。


根据GB/T 9286-1998[10],利用295型划格法附着力试验仪进行试验涂层的附着力测试。用刀刃以直角的方式划破涂层,所获得的方格可通过目测涂层从基材破裂处来评估,也可以和标准中的划格图案进行比较,来评价不同类型涂层的附着力状况。

 

2 结果与讨论

2.1 隔热性能

第Ⅰ类、第Ⅱ类和第Ⅲ类试样分别受光源辐射时温度随时间的变化关系如图2所示。图2(a)、2(b)和2(c)中3条线自上而下分别表示上表面位置、下表面位置和箱内位置的温度-时间变化曲线。


从图2(a)、2(b)和2(c)的曲线变化可以看出,三类试样在同一测量位置处的温度变化趋势基本一致,都是从初始温度迅速升高,然后趋势放缓,最后达到温度不变,此时的温度称作相对平衡温度。箱内温度变化滞后于下表面温度变化,下表面温度变化滞后于上表面温度变化。

三类涂层试样在热辐射过程中的温度-时间关系曲线

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经一定时间的光源辐射后达到的相对平衡温度如表1所示。从表1可看出,第Ⅰ类、第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样的上下表面相对平衡温度差分别为3.7℃、4.7℃和3.9℃。


虽然三类试样的上下表面相对平衡温度差值基本相同,但第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样上、下表面相对平衡温度却比第Ⅰ类无涂层试样降低至少17℃,箱内位置相对平衡温度也降低3.5℃。


相对于第Ⅰ类无涂层试样,涂有热反射面漆的第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层并不是在上下表面“降温差”方面起作用,而是能够大大降低涂层试样的上、下表面温度。这说明使用热反射面漆可以大大降低物体表面温度,第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样都具有优异的隔热降温作用。

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3种涂层试样在热辐射过程中达到的相对平衡温度(T/℃)

下表面温度的测量结果是模拟隔热效果最有效的数据。因为热量传输需要经过一定厚度的试样和涂层路径,然后到达下表面。3种涂层试样在下表面位置处的温度-时间变化曲线如图3所示。3种涂层试样的上、下表面温度基本在同一时间达到了热平衡,继续辐射温度变化微小。


第Ⅱ类涂层试样下表面相对平衡温度低于无涂层试样18.2℃,第Ⅲ类涂层试样下表面相对平衡温度低于无涂层试样的17℃。两者下表面温度变化十分相近,达到的相对平衡温度也很相近。这说明用热喷涂涂层作复合涂层的底层与用防锈底漆作复合涂层的底层的隔热降温效果十分相近。

3种涂层试样在下表面位置处的温度-时间关系曲线

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2.2 耐蚀性能

图4为第Ⅱ类涂层试样在不同盐雾腐蚀时间下的腐蚀宏观形貌。从图中可以看出该试样的宏观腐蚀形貌随时间的延长有明显的腐蚀变化。和试样初期形貌相比(如图4(a)所示),划痕部位两侧随腐蚀时间增加逐渐出现扩蚀现象,并向两侧扩展蔓延(如图4(b)、4(c)、4(d)、4(e)和4(f)所示)。未划痕部位逐渐出现起泡和点锈蚀现象,并且数量和面积逐渐增加(如图4(d)、4(e)和4(f)所示)。试验开始阶段,试样涂层腐蚀程度较小,之后试样涂层腐蚀变化程度增大,试样的涂层腐蚀速率先慢后快,说明试样涂层的腐蚀有一个诱导期(约2周),诱导期过后,试样的涂层腐蚀速率加快。


第70天后试样涂层腐蚀程度已比较厉害,试样表面划痕区扩蚀程度明显,并且70%面积出现起泡和点锈蚀(如图4(f)所示)。随着腐蚀时间的继续延长,试样涂层将处于完全腐蚀状态,这说明使用防锈底漆和热反射面漆双层结构暴露出耐环境腐蚀差的问题。

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第Ⅱ类涂层试样的盐雾腐蚀宏观形貌

 图5为第Ⅲ类涂层试样在不同盐雾腐蚀时间下的腐蚀宏观形貌。和试样初期形貌相比(如图5(a)所示)可以看出,第3类涂层试样的宏观腐蚀形貌随腐蚀时间的延长,划痕区没出现明显的扩蚀蔓延,未划痕区没有出现明显的起泡和点锈现象,整个涂层表现出优异的耐蚀效果(如图5(b)、5(c)、5(d)、5(e)和5(f)所示)。这说明使用锌铝合金热喷涂涂层作为复合涂层的底层大大提高了试样的耐盐雾腐蚀寿命。

第Ⅲ类涂层试样的盐雾腐蚀宏观形貌

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图6为第Ⅱ类涂层试样在未划痕位置处的腐蚀微观形貌。从图可看出,随着盐雾腐蚀试验时间的增加,涂层试样腐蚀变化过程为:光滑平整(如图6(a))→表面变粗糙(如图6(b))→出现锈蚀斑点(如图6(c))→出现溶胀小泡(如图6(d))→数量增加、变大(如图6(e))→出现腐蚀坑或小泡(如图6(f))。这主要是由水、氧及氯离子等通过涂层表面的微细毛孔缺陷逐渐向内部渗透并扩展而形成腐蚀点,腐蚀点再逐步扩展蔓延造成的。

第Ⅱ类涂层试样的盐雾腐蚀微观形貌(×10)

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 图7为第Ⅲ类涂层试样的腐蚀微观形貌(腐蚀时间为70天)。从图可看到,即使在试样划痕区也只有一层薄薄的白色腐蚀产物覆盖,而未划痕区附近没有明显变化(如图7(a)和(b))。这是由于热喷涂金属涂层的牺牲阳极作用,保护基体不被腐蚀。由于涂层自身良好的耐蚀性,其腐蚀产物量较小。

第Ⅲ类涂层试样不同划痕位置的盐雾腐蚀微观形貌(×10)

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2.3 附着力

基材上涂层的附着力不仅是一个描述涂层和基材之间粘接性能的物理指标,而且也是重要的防腐蚀性能指标,因为附着力差的区域很容易受到腐蚀。GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》提供了非常直截的附着力性能检测方法。


将第Ⅱ类涂层试样和第Ⅲ类涂层试样分别进行划格法附着力测定试验,涂层附着力试验测定结果如表2所示。可以看出,第Ⅲ类涂层试样比第Ⅱ类涂层试样的附着力有明显的提高。这是因为:第Ⅱ类涂层试样是将涂料喷涂在喷砂表面上,喷砂表面虽然具有较高的粗糙度(如图8(a)所示),但它是属于宏观粗糙,在微观尺度上并不明显(如图8(b)所示基体截面的A表面);相对而言,热喷涂涂层表面属于微观粗糙(如图8(b)所示基体截面的B表面),更加有利于有机漆膜的附着。这表明第Ⅲ类涂层试样使用锌铝合金热喷涂涂层大大降低了面层的可剥离性,增加了面层与底层的结合力,进而有利于整个涂层防腐能力的改善。

第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样的附着力评定

试样热喷涂前后的形貌

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2.4 复合涂层的长效防护机理

第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样的腐蚀机理比较如表3所示。从腐蚀原理分析,用锌铝合金热喷涂涂层作底层比用防锈底漆作底层的防护性能要好得多,经盐雾腐蚀试验和附着力测试也得到证实。


金属涂层自身良好的耐蚀性提高了热反射面层的寿命,反过来,面层的封孔作用又降低了底层的腐蚀。复合涂层的长效防护机理有以下3个方面:首先,锌铝涂层充分发挥了自身良好的耐蚀性能和牺牲阳极保护功能,这大大提高了钢结构的耐蚀性,并且延长了外层太阳反射涂膜的耐蚀寿命。


其次,外层涂膜是具有一定封孔能力的树脂涂料,它阻止了腐蚀介质向金属涂层及其内部渗透而产生的点腐蚀,降低了空隙腐蚀的可能性。第三,由于使用热喷涂方法,金属涂层与基材、金属涂层与外层漆膜的结合力大大增加,进而增加了外层有机涂膜及整个复合涂层的使用寿命。


因此,该复合涂层能够起到内外层涂层相得益彰的效果,在降低储罐等钢结构表面温度和提高钢结构表面防护性能和服役寿命上具有重要应用,因而也具有良好的经济效益和应用前景。

第Ⅱ类和第Ⅲ类涂层试样的腐蚀机理比较

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3 结论

(1)长效耐蚀热反射复合涂层具有与普通热反射涂层相近的隔热效果,二者隔热降温效果都很显著。

(2)与普通热反射涂层相比,长效耐蚀热反射复合涂层的耐蚀性能和附着力性能大大提高,具有优异的腐蚀防护效果。

(3)与无涂层以及普通热反射涂层相比,长效耐蚀热反射复合涂层具有更加优异的隔热降温和长效耐蚀等综合性能。


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