高分子化工材料在化工防腐中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：王姗（1984）,女，汉族，山西芮城人，中级职称，硕士研究生，研究方向为应用化学。-116-高分子化工材料在化工防腐中的应用 王 姗 河北科防冶金安全评价有限公司，河北 石家庄 050011 摘要：摘要：为解决化工生产中出现的设备腐蚀而影响安全生产的问题，提出了将高分子化工材料应用到化工机械设备中的方法。本文首先分析了化工机械设备腐蚀的原因，阐述了高分子化工材料的特点，提出了耐腐蚀级别及其评价办法，并根据化工防腐蚀过程中高分子材料应用方式设计出有效防腐层厚度，有效提高了化工产业机械防腐性能，以供相关人员参考。关键词：关键词：高分子材料；化工防腐；化工生产 中图分类号：中图分类号：TQ116 化学工业是国家发展的一个关键基础产业，其生产的产品品种成千上万，每一种都有各自独特的理化性质。由于原料的特殊性，化工生产的过程需要大量的能源，涉及高温高压和某些催化反应，为了提高化工生产的效率，一些化工企业在生产过程中经常会用到许多辅助装置来提高温度和压力等关键参数。在长期运行过程中，不可避免地会出现各类腐蚀问题，从而导致其服役特性和服役寿命降低，并可能导致化学爆炸等安全事故，危害从业人员的人身安全。造成上述不利影响的根源在于某些化工企业的管理人员和技术人员忽略了对防腐性、耐碱性等高分子化工材料的应用，而利用这种材料，能够有效减少与化工生产直接有关的设备的腐蚀危险，从而能够更好地延长并提升化工机械设备的工作寿命和工作性能。此外，由于市场竞争日益加剧，部分化工企业为压低报价，减少设备投入，将价格较低却没有良好防腐性能的金属材料作为设备的主要原料，而忽视了抗腐蚀剂、表面处理技术和在线腐蚀监测技术等方面的使用，造成了化工生产过程中出现的腐蚀损坏。通过选用耐腐蚀和耐酸碱的高分子化工材料，可以很好地降低化工机械设备腐蚀的风险。因此，怎样将具有良好防腐性能的高分子化工材料技术应用到化工生产是目前技术人员需要考虑的实际问题。1 化工机械设备腐蚀原因探析 1.1 设备腐蚀的内部原因 在化工生产过程中，以金属为主体的机械生产装备，因其长期与各种酸、碱、盐、有机溶剂以及腐蚀性气体等强腐蚀性介质相接触而产生腐蚀。在化工企业的生产和处理中，为了减小设备受到腐蚀的概率，已经将酸碱等容易腐蚀的液体的应用降到了最低，但是不能完全禁止使用。化学机械中的金属部件以碳钢板为主，当其与酸性物质接触时，其表面的亚铁被氧化为二价铁，而在此过程中，从阳极到阴极流走的电子又与氢离子进行了一系列的还原，从而产生了氢气，造成设备腐蚀1。此外，由于化工产业往往需要投入大量机械设备，由于成本原因，并不能针对某一设备进行精密焊接，会导致很多部件和焊接部位不能按照相关规定进行严密焊接，从而出现细缝和开口。化工生产的特殊环境致空气含有腐蚀性物质，比如二氧化硫、卤化物等，当环境的相对湿度达到一定的程度时，水分就会通过设备的死角和开口处与这些腐蚀性物质结合，生成无机酸。化学机器的金属表层长期暴露在这样的环境下，将引起一系列的连锁效应，从而造成钢铁材料的严重破坏2。1.2 设备腐蚀的外部原因 通常，化工生产所用的机械装置的主要材料是金属，由于所用的材料的不同，其耐腐蚀的程度也有很大的差别，耐腐蚀程度越好的材料也就具有更加高昂的价格。当前，国内大多数的化学公司在采购生产装备时，都是以价格为主，以获得最大的利润，这也会直接造成所选择的材料的晶粒直径过大，从而造成了抗化学腐蚀能力较弱，降低了设备的使用寿命，对企业的生产效率造成了严重的影响，危害从业人员的人身安全。中国科技期刊数据库 工业 A-117-2 常见的化工防腐方法 2.1 耐腐蚀材料 用于生产化工机械装备的主要材质为常见的碳素结构钢，它具有成本便宜、原料丰富、力学性质好、易于处理等优点，这些钢材用于日常工作时，腐蚀对它的影响不大，然而，当碳素钢用于化学工业中时，由于抗腐蚀能力比较弱，设备长期运转后会出现严重的腐蚀问题，需要选用耐腐蚀性能更好的材料。不同的金属在不同的腐蚀条件下，其抗腐蚀性也会有很大的差异。在选用耐腐蚀材料时，应根据化工生产的环境以及设备预期使用年限等选用合适的材料。相对于不锈钢而言，高性能合金具有更好的防腐性能。2.2 表面防腐蚀技术 化工设备表面防腐蚀技术主要是指通过电镀、喷镀等方式，对金属表面进行综合处理，在这种情况下，金属表面也会产生一层保护膜，将其与外界腐蚀介质和空气隔离，防止严重氧化3。据统计，在目前各种防腐措施中，防腐涂料及金属表层工艺的成本约占全部防腐成本的 87%。采用适当的表面防护技术，可以延长设备的使用寿命，降低维护费用。通过对其进行表面防腐处理，使其整体抗腐蚀能力得到了极大地改善。2.3 电化学保护 电化学防护是一种通过外加电流来改变金属或合金表面的腐蚀电位来减缓其腐蚀速度的防腐技术，是一种既经济又有效的防腐方法。电化学保护主要有两种，一种是阴极保护，一种是阳极保护4。对强氧化条件下的阳极保护应优先考虑；当阴阳两种保护方式均可使用，且两种方式的保护作用相近时，应当优先使用阴极保护；对于不能忽视的氢脆，应进行阳极保护。3 高分子化工材料耐腐蚀特性 3.1 结构紧密耐腐蚀 高分子材料是通过多个分子单元之间通过聚合反应连接起来的大分子化合物，分子间排列较为紧密，结构稳定，具有较强的耐腐蚀能力5。使用高分子化工材料制成的阀门、反应罐和管道等材料结构内部结合紧密。相比于传统碳钢材质的机械设备而言，不会有焊接接触不到位的缺口，从而减少了与空气中的腐蚀性介质接触，此外，由于结合紧密，发生泄漏的风险也极大程度降低。如高聚塑料 PVC-U 塑料管道相比于不锈钢管材而言，具有耐水耐磨的特性，并且可以负责运输某些酸性介质，其结构稳定，不会与酸性介质发生反应而出现腐蚀的现象，具有很好的发展前景6。3.2 形成的保护层具有较强耐腐蚀特性 微生物腐蚀的本质是由于在装备内部存在着大量的细菌和微生物，在环境中，微生物的分布是杂乱无章的，附着在金属层发生化学反应，使得金属各个部位产生不同程度的腐蚀7。在易繁殖微生物的环境中投入高分子化工材料，可以阻止微生物附着和繁殖，减少腐蚀现象。经一系列化学改性后，在高分子化工材料表面生成的涂料具有很好的防腐能力，这种材料是 S-148 芳香族(UP)不饱和聚酯树脂。将此涂料置于室温下，浸泡在 70%浓度的硫酸溶液中，在浸泡 2 小时后，涂料表面会慢慢变黑，形成一层薄薄的黑化层，而涂料的内部并没有发生很大的改变，说明采用 70%的硫酸溶液，只是引起了表层的化学反应。利用 IR 技术，结合 XPS 技术，对主链苯环进行了综合的研究，结果表明，在此苯环上存在着一定的硫化作用。在主链苯环上形成了一个完全的巯基，从而保证了聚合物的表面结构的稳定和密度得到了极大地改善。新磺酸基具有很强的抗腐蚀能力和很强的抗酸性，并且由于其空间位阻作用，可以很好地防护化学机械装置的主体，防止被酸性物质侵入8。4 高分子材料的耐腐蚀性评价方法 研究表明，可以采用静态浸泡法来进行腐蚀试验。按照 ASTMC581 和 GB/T3857 中的相关规定，对化学材料的耐腐蚀性进行评价，主要的评价参数有：试验过程中材料外观变化、试验过程中介质外观变化、材料质量变化率等。在相同的温度条件和介质下，不同的高分子聚合材料表现出不同的耐腐蚀性能，同种材料在不同的介质中也具有不同的耐腐蚀特性。根据耐腐蚀的等级，高分子化工材料可以分为三种：耐腐蚀能力强、耐腐蚀能力普通以及不耐腐蚀的材料。对于耐腐蚀能力强的材料而言，是指在室温条件下，材料强度保留程度大于 90%，高分子材料的表面中国科技期刊数据库 工业 A-118-结构、粗糙程度、外观等都不会发生明显变化，内部结构比较稳定；耐腐蚀能力普通的材料，是指在试验条件下，材料表面会发生轻微的外观等变化，但不会有明显的粗糙程度改变，材料强度保留度大于 60%；对于不耐腐蚀的材料，是指强度保留率小于 60%，在试验条件下会发生明显的颜色和外观变化，出现部分组织腐蚀的现象9。在进行腐蚀试验时，应该根据材料特点设置不同试验条件，多角度进行分析。设置温度区间为常温（0-50）和高温组（50），分别与未进行温度试验的材料进行对比，记录材料的腐蚀情况。根据试验结果，可以清楚地反映出在不同温度条件下材料的耐腐蚀特性。5 化工防腐蚀过程中高分子材料应用 5.1 常用的化工防腐蚀高分子材料（1）环氧树脂。环氧树脂是一种热固性塑料，有机高分子聚合物，具有良好的绝缘性能，耐水性、耐碱性及机械强度都比较高，而且整体的施工技术也比较好。环氧树脂普遍用于黏合剂和绝缘防腐涂层中，适合运用在极端条件环境中。（2）不饱和聚酯树脂。不饱和聚酯树脂具有良好的工艺性能，在常温常压下具有较强的加工弹性，尤其适用于大规模生产和制造玻璃钢制品。该产品的各项机械性能均较环氧树脂有所差别，但仍适用于制造以玻璃纤维为增强骨材的复合材料，具有良好的绝缘性能和导热特性，在电机与仪表使用方面具有较好的应用前景。但这种材料由于无明显的塑性期、无屈服点、存在脱层、超载时易发生突变等缺陷，不适用于荷载量大的部件。（3）酚醛树脂。酚醛树脂耐热性、耐酸性和耐盐性都很好，但耐碱性不强，在电器行业应用较多，但只能在高温条件下进行固化。酚醛在化学工业中的用途，主要体现在耐酸性和耐腐蚀性良好的气门和耐高温的零件上。（4）含卤素高分子材料。常见的含卤素高分子材料有聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。就常见的高分子聚合物而言，将卤素加入到聚合物中，可以使其相对密度增大，从而增加其抗燃烧性。聚氯乙烯和聚四氟乙烯具有良好的电绝缘性和耐腐蚀性，具有极低的介电常数和介质损耗，可以被用来制作垫片等结构。5.2 高分子材料在化工防腐中的具体应用（1）用作涂层。在需要进行防腐作业的化工设备上，涂敷聚合物涂料，形成防护膜。可以利用涂料的作用，将腐蚀介质和物质进行有效的分离，隔绝机械设备表面发生化学反应。（2）整体防腐。随着化工行业防腐蚀技术不断革新，使用聚合物材料来代替金属材料，制造出各类种类的耐腐蚀设备，包括一些本身重量较轻、便于运输的聚合物材料，都在工业领域中得到了大量的应用。（3）调节化学介质质量分数。加入化学介质直接影响着化工机械设备原材料的耐蚀性，如果化学介质添加比例不合适，则会导致更严重的设备腐蚀。在初期的设计过程中，要根据有关的行业标准和生产要求，对化学介质的量进行合理设计。在一些化工企业的实践中发现，由于添加了一些化学介质，使得化工机械设备的耐蚀性下降，进而导致了这些机械设备使用年限的减少。但是，高分子化工材料的应用，就能够很好地解决上述问题。在这种材料的使用过程中，有关工作人员要对硫化氢和氢氧化钠两种物质的比例进行科学调控，将它们按照最优比例添加到化学介质中，从而提高了机械设备的实际性能和使用寿命。6 有效防腐层厚度设计 6.1 气相防腐 气相腐蚀现象在化工生产中较为常见，为了解决这种现象，可以使用防腐涂层，使得化工机械设备防腐满足行业规范。此外，为了提高气相防腐的效率，要加强防腐涂层的厚度，要将厚度加至 1mm 以上。6.2 液相防腐 在化工生产过程中，常见的储存液体设备，如反应罐和储存罐等都主要盛装强酸和强碱的反应溶液。在运输强腐蚀性液体的过程中，所用到的储罐一定要是玻璃纤维材料的，与此同时，储罐的内壁要有很高的耐腐蚀性能，涂料的厚度一定要控制在 4mm 才能防止液体泄漏。在管道和阀门等关键位置，不仅存在静态的渗漏，还存在磨损导致表面粗糙程度变化而导致腐蚀的问题。将高分子材料用于液相防腐中，可以有效缓解。7 结语 中国科技期刊数据库 工业 A-119-化工产业由于其原料的特殊性和生产环境，对生产及储存设备具有很高的要求。在实际生产过程中，部分企业出于成本原因，选用耐腐蚀性能较低的原材料，容易造成设备腐蚀，引发安全事故。在机械设备表面合理使用耐腐蚀性能更好的高分子材料，可以很大程度上减少设备腐蚀的现象。本文主要分析了高分子化工材料的耐腐蚀特性，提出了耐腐蚀性评价方法，并进行有效防腐层厚度设计。参考文献 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