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高分子合金涂料在污水处理场设备防腐应用-企业新闻-长三角涂料涂装工程公司

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高分子合金涂料在污水处理场设备防腐应用
双击自动滚屏 发布者:zzy 发布时间:2019/6/4 【字体:

内容提要:介绍了污水处理工程中设备等目前采用的防护措施及存在的问题。较详细分析了温水系统
的设备腐蚀及防腐涂层的破坏原因。根据解决办法的原则,较详细介绍了高分子合金涂料的特点及性能。
通过实验室的试验结果证明高分子合金涂料涂层具有很好的耐酸碱盐的能力和强度与韧性。另外通过几个
实际应用案例证明目前在污水处理场中的设备在严酷工况下的腐蚀,采用一般的特种防腐措施还没有很好
的解决的腐蚀问题。而采用高分子合金涂料对设备等进行防腐蚀使用证明有效的解决了部分设备等腐蚀问
题。
关 键 词:污水处理场、设备、腐蚀、防护层、破损、高分子合金涂层、使用
1、前 言 污水处理工程中的污水是一种成分复杂、条件多变的腐蚀介质。在污水环境下,除了 有生活污水的悬浮物、油脂的氮、磷、钾和有机物,还有工业废水中的酸、碱、盐及各种有 机化学成分。这些化学成分对混凝土结构和钢结构件的腐蚀很复杂。污水腐蚀的主要特点是: ①水腐蚀;②腐蚀介质种类和腐蚀性复杂而多变;③空气中湿度大、氯粒子浓度高,从废水 中逸出的有害气体如H2S、NH4等浓度高;④各种微生物、菌藻的腐蚀。 在这种条件下,对于混凝土池槽和钢结构件的防腐要求是苛刻的。混凝土池槽既要做很 好的防渗处理,更要选择合理的防腐措施。钢结构件的防腐既要考虑水下电解质的腐蚀作用, 还要重视阴离子对碳钢腐蚀的强烈的自催化作用,又要考虑室外污水受热后污水蒸汽中含有 溶于水的介质浸蚀钢结构件,有些难溶解性颗粒物集聚粘附在金属表面,又会产生垢下腐蚀、 点蚀、坑蚀或缝隙腐蚀等局部腐蚀,使钢结构腐蚀加剧。 2、目前污水设备防腐措施 防腐蚀材料应用较为广泛的环氧、环氧沥青、乙烯基树脂、氯化橡胶、聚氨酯等为主 要成膜物质的玻璃鳞片涂料成功的应用到各种防腐工程中,抗渗性强、可作为长效防腐蚀涂 料。 国外对工业污水和生活污水的防腐蚀,主要体现在聚氯乙烯衬板和涂料两大类。污水 工程中常用环氧、环氧沥青、聚氨酯、沥青、玻璃鳞片等涂料等涂层;近几年,玻璃鳞片涂 料在污水工程中得到较广泛的应用。 对污水工程这种特定环境条件下的防腐措施较多,但只采用一般涂料时效果大多不理 想。
3、污水系统设备的腐蚀与防护 3.1腐蚀情况 含硫含碱污水对混凝土池子腐蚀较利害,原先所选的材料及施工方法存在一定问题, 经过一段时间的使用,防腐层破损。如内壁采用环氧、环氧煤沥青防腐,经过 1年多的使 用,玻璃钢出现老化、裂纹。玻璃钢与池壁脱离,造成混凝土表面粉化,表面层损坏。 3.1.1涂层下金属腐蚀的原因【1】 漆膜下的金属腐蚀是由电化学作用引起的。在阴极氧有去极化作用反应如下: O2十 H2+2e=2OH因此,膜下泡内溶液呈微碱性,这时阴极部位的 pH 值高达 13 以上。界面一旦成为高碱 性状态,就进一步发生基体氧化膜的碱性溶解和漆膜的碱分解。同时,在阳极发生如下反应 Fe=Fe2++2e Fe2+与氧、水及OH-反应生成 Fe(OH)2、Fe(OH)3、Fe2O3·XH2O 等腐蚀产物,其体积 要增大好几倍,使漆膜鼓起,最后破裂。这时泡内溶液呈酸性,泡内 pH 值仅为 2~4。从漆膜 脱落部位产生的阴极、阳极反应来看,由于阴极反应产生的 OH-离子使得界面 pH 值上升,造 成Fe2+离子水解: Fe2+十2H2O=Fe(OH)2+2H+ 这时又使界面 pH 值降低,从而加速了阳极反应,使腐蚀面积扩大,漆膜剥落的范围增 加。部分表面涂层,不到半年出现开裂、脱落,使金属表面遭到腐蚀。 3.1.2 浸水混凝土表面腐蚀原因[2] 含硫污水中有大量硫化物等。其中硫化物一般以钠盐(NaH2S、NaS) 、氨盐[ NH4HS、 (NH4)2S] 有机物等形式存在,硫化物与氧接触后,即发生氧化反应,钠盐和氨盐氧化生成 显酸性硫代硫酸盐,对混凝土腐蚀很利害。表现一下几个现象: ⑴ 胶体溶解:当污水混凝土接触后,混凝土中的胶体溶解,先是氢氧化钙被溶解带出 之后,形成漏迹,这样混凝土的抗渗机能不断丧失,最后导致破坏。 ⑵ 结晶物膨胀:当污水的侵蚀,混凝土中的水泥胶块体和骨料将因此发生化学反应, 其生成物,一部分随水而溶解,另一部分结晶物充填在它所生成处的孔隙中,引起孔隙内壁 出现应力,从而造成混凝土的迅速破裂。 ⑶ 锈蚀物膨胀:混凝土保护层,在水饱和的状态下,其保护层虽然较小,但由于腐蚀 破坏,表面脱皮掉块,浸蚀性的水与钢筋接触发生电化反应,产生大量铁锈。铁锈体积不断 增大,使混凝土不断发生鼓胀,因此混凝土破坏程度更趋严重。 ⑷ 温度的影响: 由于池内与池外温度差造成的梯度影响,使混凝土冻融破坏更加严 重。当池壁温度低于内部温度,根据热力学平衡原理,混凝土内部的自由能高的水份,不断 增加水的晶体的体积,冰晶体的增加,将破坏混凝土的结构组织。
3.1.3暴露在大气中混凝土腐蚀的原因: 【3】 ⑴在潮湿的工业大气中酸性介质与水泥中游离的铝酸三钙、氢氧化钙的水化物反应生 成可溶性的盐,由于腐蚀性介质的不断侵蚀,随水份不断流失而带走,造成构件破坏。 ⑵在下雨时,空气中的CO2与水作用生成H2CO3,堵塞在混凝土的孔隙中,水中的 H2CO3和 CaCO3进一步作用,生成易溶于水的Ca(HCO3)2,将混凝土中的有用组份逐 渐溶出并带走,溶走的Ca(HCO3)2由固相的 CaCO3补充,这样混凝土就遭破坏。 ⑶存在水中的钠、钙、镁的硫酸盐与含有水合石灰、水合铝酸的混凝土的水相进行化学 反应,分别生成硫酸钙和硫铝酸钙。反应后体积膨胀,导致混凝土的破坏【4】。 上述几方面的原因互相影响和积累,使腐蚀的速度明显加快,破坏程度也明显严重。 3.1.4 防腐涂层的损坏原因 ⑴ 玻璃钢体损坏原因:最早对于混凝土池子内防腐,大多采用环氧或环氧煤玻璃钢, 经过一段时间使用,表面老化、开裂、与基体脱落,失去防腐作用。这主要环氧树脂中含有 醚键,漆膜经日光紫外线照射后易降解断链,不耐户外日晒,漆膜易失去光泽,然后粉化, 失去作用。 ⑵ 采用复合防护层的损坏【5】:为了解决环氧玻璃钢体的老化问题,在其表面涂刷了 三道氯磺化聚乙烯涂料,经过一段时间使用还是出现了问题,主要表现为氯磺化首先起泡、 破损,然后表面层大面积脱落,因为氯磺化聚乙烯涂料属于溶化型,该材料的基料是热塑性 (非转化型)树脂,待溶剂挥发后两层联成一体,该材料层与层之间附着力良好。 但环氧类的玻璃钢层属于溶胀型,即底层漆膜的基料是热固型(转化型),其漆膜干燥 后形成 了不溶于原溶剂的三向体积结构,第二道的溶剂不能再溶解表层,只能溶胀。对于 该材料本身来说,施工得当完全能成为三向网状构造。 虽然说上述两种材料各自都有其优点,但是两种材料组合在一起,即玻璃钢体做为抗 渗体,氯磺化做为抗老化体。从表面看是合理的,但是实际使用中出现问题不少。其原因为, 前者为溶胀型,后者为溶化型。但是两者之间的结合面,存在一定问题,既不属于溶胀型又 不属于溶化型。只是简单的结合在一起,没有形成紧密的三向网状构造。所以氯磺化层难以 渗入到环氧漆表层的分子间,层与层之间附着力很差。 ⑶污水对涂层表面的损坏:污水对一般的常温固化的环氧、呋喃、酚醛类的涂层主要腐 蚀是因为酚类小分子易穿透涂层,使涂层的分子结构发生溶胀、断裂。另外,涂层在65-70℃ 污水中协同作用下,使防腐涂层损坏加速。在含有腐蚀介质的水溶液中,破坏涂层原有的分 子结构,使其耐温性能下降。表面涂层破损失去作用。 3.1.5 涂层下混凝土表面的损坏 当防腐层局部损坏时,污水在混凝土与玻璃体之间。由于污水的介入,大部分水PH 值显酸性,因混凝土中含Ca(OH)2,呈高度碱性。但当水中含有 CO2、SO2 等有害杂质,会
中和混凝土的碱性,变成水溶性的酸式碳酸钙,受水冲蚀逐渐流失。这样使混凝土PH 值降 低,表面粉化失去作用,并且体积增大,使玻璃钢体表面大面积破坏。 4.2解决办法 防腐层选择依据一般要求为: ⑴防腐体系采用成熟安全可靠的技术; ⑵防腐保护作用持久,免维护使用 6年以上; ⑶防腐涂层与混凝土基层有良好的附着力,漆膜致密,坚固耐久,屏蔽作用好,对腐 蚀介质稳定; ⑷防腐涂层耐化学介质、耐低温、耐冻融、耐水、耐湿热、耐冲刷、耐气候老化; ⑸防腐涂层保光、保色性优; ⑹施工方便、容易操作。 根据以上防腐涂层的要求,结合近几年我们对污水系统防腐蚀的经验认为采用钛纳米 涂料其综合性能好。 4.3高分子合金涂料构成及性能【6】 4.3.1材料组成应用范围 高分子合金涂料也称钛纳米高分子合金涂料(简称钛纳米涂料)是由纳米有机钛前驱体 (齐聚物)与其它聚合物(如EP、PAES、BMI、PESK等)共混或共聚改性的高分子合金。应用 于工业界的不同防腐蚀环境,特别是应用于“酸腐蚀”环境中,解决了酸腐蚀,特别是“H 2S”对金属的腐蚀。 4.3.2材料特点 ⑴由于结构中引入了金属钛,使其具备了卓越的防腐蚀性能,可以耐受各种严酷环境下 的工况腐蚀。 ⑵性能稳定,耐电化学腐蚀和阴极腐蚀,比传统防腐涂料寿命提供 2~5 倍。 ⑶海水腐蚀试验,腐蚀阈值≥50年,即海水对钛纳米高分子合金涂层几乎无腐蚀,推 荐用于海洋工程防护。 ⑷耐自然老化,抗紫外线, 钛纳米涂料是紫外线吸收剂,它可使环氧树脂的耐候性提 高很多。 ⑸海水腐蚀试验,腐蚀阈值≥50年,即海水对钛纳米高分子合金涂层几乎无腐蚀,推 荐用于海洋工程防护。 所以说,钛纳米涂料料的以上突出特点,更加突出了该材料的①抗渗透性强; ②抗腐 蚀性高; ③抗垢性好; ④耐温性好; ⑤耐水性好;⑹导热性好。可以在石油化工、海洋 船舶、水力工程等防腐蚀领域的严酷环境下应用,可获得性价比最高的防腐效果。
图1 纳米有机钛基体聚合物单元结构式 特性:聚合物本身带有环氧基官能团,因此可使用环氧固化剂作交联剂,制备常温固 化型双组份防腐涂料;如果使用氨基树脂作交联剂,也可制备热固型单组份防腐涂料。 复合防护涂层质量检验标准应符合内控技术指标,见表1 所示。
表1 钛纳米高分子合金防护涂层内控技术指标 项 目 技 术 指 标 底 漆 中间漆 面 漆 在容器中的状态 无硬块,不结团,搅拌后呈均匀状态,无返粗现象 干燥时间 (25℃),h 表干 ≤ 2 2 2 实干 ≤ 24 24 24 漆膜颜色与外观 指定颜色,漆膜平整,有光或亚光,无缩孔和流挂
铅笔硬度 ≥ — — 6H 附着力(划格法),级 ≤ 0 0 0 耐冲击性,cm ≥ 50 50 50 耐弯曲性,mm ≤ 1 1 1 耐磨蚀性(750g/500r)g≤ 0.05 0.01 0.01 长期耐热性,200℃ 无变化 无变化 无变化 耐酸介质性,90d 无变化 无变化 无变化
耐盐雾性试验
*
,2000h
— — 不起泡,不生锈
注:带“*”号为复合涂层检验项目。
4.3.3实验室耐酸试验【7】
在实验室对钛纳米涂料的样棒浸泡的11 种酸碱进行了记录,试验时间365 天。实验
结果见具体情况表 2。从浸泡结果看该材料耐酸碱效果是很好的。图2、图3分别是30%、
10%浸泡 1年的结果,从图中可以看出涂层没有变化。
表2 化学介质浸泡试验表 序号 溶液名称 浓度% 试验时间(天) 结果 涂层耐蚀性 1 硫酸 5 365 表面涂层完好,无失光。 耐 2 硫酸 10 365 表面涂层完好,无失光。 耐 3 硫酸 30 365 表面涂层完好,无失光。 耐 4 氢氧化钠 5 365 表面涂层完好,无失光。 耐
5 氢氧化钠 10 365 表面涂层完好,无失光。 耐 6 硝酸 5 365 表面涂层完好,无失光。 耐 7 硝酸 10 365 表面涂层完好,无失光。 耐 8 盐酸 10 365 表面涂层完好,无失光。 耐 9 氯化钠 3 365 表面涂层完好,无失光。 耐 10 土酸 365 表面涂层完好,无失光。 耐 11 氢氟酸 365 金属腐蚀没,剩下涂料涂 层,无失光,不发脆。 耐
图2 图3 30%硫酸 10%盐酸
4.3.4涂层强度与韧性检查 ⑴涂层强度对比: 带防腐涂层的样管在30%的硫酸经过383 天的浸泡后。漆膜脱落 后,进行了收集。对3种涂层进行划痕检查,用来验证表面强度。只有钛纳米涂层具有一 定强度,其它两种一碰就碎。
乙烯基涂层 钛纳米涂层 陶瓷涂层 图 4 防护涂层的碎片 ⑵涂层的柔韧性检查: 对漆膜对折 1800后恢复,漆膜没有破碎,仍然连着。而其他
2种漆膜对折时稍有变形变脆断。
图 5 涂层弯曲试验
⑶涂层膨胀性分析:样管浸泡在 30%硫酸中,经过 250 天后漆膜破损的状态,具体见
图6~8。
图6 图7 图8 陶瓷涂层 钛纳米涂层 乙烯基涂层
从图中可以看出石墨烯涂料在浸泡过程中,金属腐蚀生产的硫酸铁固体已经把涂层鼓 胀成车胎型,说明涂层具有一定的强度与韧性。而其它两种涂层只要产生硫酸铁固体,就可 以把涂层破损,说明涂层的强度与韧性较差。
5、 应用案例 5.1钛纳米涂料在酸性水罐的应用【8】 炼油厂酸性水气体装置,主要处理来自常减压、催化、加氢等装置的含硫污水。罐内采 用环氧性涂料防腐涂层,破坏性很大。涂层使用不到3个月出现鼓包、涂层变硬、破损, 起不到防腐涂层的作用。对金属腐蚀的主要部位在罐底与罐壁,腐蚀形态主要是靠近焊缝附
近出现穿透性裂纹,酸性水罐有的使用不到两年报废。产生泄漏不但影响生产而且对周边的 环境造成污染。 因酸性水罐的操作条件相对比较苛刻,其主介质:原料水中 H2S,还含有 CO2、CN-、 酚和油等多种介质,PH 值在 10±0.5,原料水的温度 65~70℃。在这样的操作条件下,碳 钢罐表面腐蚀比较严重。在焊口及金属母材弯曲处(如罐里立柱底附近钢板受压弯曲变形处) 出现应力腐蚀开裂现象。 采用钛纳米涂料对内壁进行防腐。使用6年开罐检查,防腐涂层整体性完好,涂层表 面有光泽,无起皮、起泡、龟裂、脱落等现象。防腐涂层表面没有任何锈蚀产物附着在表面。 解决了该罐的应力腐蚀的问题。
图9 图10 酸性水外观 内壁涂层
5.2 埋地污水管道的腐蚀与防护【9】 污水对一般的常温固化的环氧、呋喃、酚醛类的涂层是因为酚类小分子易穿透涂层, 使有机涂层的分子结构发生溶胀、断裂。这就是说,在含有腐蚀介质的水溶液中,较小的分 子气体及介质容易进入到有机涂层中,使表面涂层变软、发生鼓泡、涂层硬化、破损失去作 用。 该设计体系属于一次投资不可维修,所以一定选用高性能的涂装体系。 管道内壁采用钛纳米聚合物涂装体系,对5km、Ф820mm 东排污水管道内外壁进行了 防腐施工,施工面积13000m2。见图3-3、图3-4。
图11 图12 管道内壁防腐 内壁防腐完
5.3混凝土污水池子防腐方案 根据污水的使用条件如温度、介质成分等依据防腐材料在相同或类似条件下使用情况 进行制定防腐方案。如果有些使用条件没有使用经验借鉴的情况下,一定借助实验室与现场 试验数据进行设计方案,做到所设计的方案安全可靠。以下是几个污水的使用环境所设计的 防腐方案并进行了实际应用,设计使用寿命在 6年以上。 5.3.1含硫污水碳钢设备 化工区中的污水池、罐、管道等均受到含硫污水的严重腐蚀。由于污水中含有大量的 H2S、NH3、HCN、CO2、CN-,同时又含有大量的Cl-、SO42-等有害离子和大量细菌,有 时温度高达60~70℃。所以,如不采取的效防腐措施,这些设备的腐蚀会相当严重,易造 成混凝土粉化失去作用。设计方案见表3。
表3 施工工艺及材料用量
5.3.2 酸性水混凝土池子 该混凝土池子内使用介质为酸性水溶液溶液,其中氢氟酸 30%、硝酸 20%,最高使用 温度 80℃。由于该混凝土池子的酸性水腐蚀性很强,同时还有 80℃的温度。这样的腐蚀环 境一般的环氧树脂涂料、呋喃树脂涂料、酚醛树脂涂料等都不能在这样的环境中使用。设计 方案见表 4。
表4 施工工艺及材料用量
工艺 产品名称 干膜厚 (μm)
涂装 道数
实际用量 (kg/㎡)
总膜厚 (μm)
稀释剂
封闭漆 钛纳米渗透漆 25 1 0.08 25 配套
工艺 产品名称 干膜厚 (μm)
涂装 道数
实际用量 (kg/㎡)
总膜厚 (μm)
稀释剂
底漆 钛纳米底漆 50 2 0.18×2 285 配套 中间漆 钛纳米中间漆 50 1 0.17 配套
面漆 钛纳米面漆 135 3 0.16×3 配套
涂刮腻子 环氧腻子 1000 1 0.2 1000
中间漆 钛纳米中间漆 100 2 0.17×2 250 配套
面漆 钛纳米面漆 150 3 0.16×3 配套
5.3.3碳钢沉淀池 使用情况: 初沉池,直径Φ18m,钢制池体。介质腐蚀成分为污水组分较为复杂,含 有CaCO3、Cl-等有害介质,温度 70-80℃,腐蚀性较强。特别是Cl-的存在,对碳钢、不锈 钢存在较严重点腐蚀。污水中的Cl-会破坏钝化膜,并且作为腐蚀的催化剂,诱导Fe2+水解, 进而腐蚀金属表面。设计方案见表5。
表5 施工工艺及材料用量
序号 产品名称 干膜厚度(µm) 涂装道数
实际用量(kg/m 2 )
总膜厚(μm) 稀释剂
底漆 钛纳米底漆 50 2 0.18×2 100 配套 面漆 钛纳米面漆 45 3 0.16×3 135 配套
总之,对污水工程这种特定环境条件下的采用一般特种涂料防护时效果大多不理想。而 采用钛纳米高分子合金涂料对设备等进行防腐蚀应用,实际使用证明有效的解决了部分设备 等腐蚀问题。
参考资料 [1]王巍,综合防腐在万米气柜上的应用与探讨「J」,全面腐蚀控制,1998,02:P37-42
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2018,04:11-22;
[8]王巍.浅谈炼油厂硫磺回收装置酸性水罐的腐蚀与防护[J].石油化工设备技术,2005,01:59-61+7;
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