石油化工企业钢结构腐蚀与防护

石油化工企业中的冷换框架、反应器框架、管架、厂房、泵棚及楼梯间等大多采用钢结构。由于钢结构长期暴露于大气环境中，除受到一般自然条件的侵蚀外，不可避免地会被少量但腐蚀性较强的各种化工气体如氮氧化物和硫化物所腐蚀［1］，尤其是炼制高含硫原油而带来的H2S和SO2，进一步恶化钢结构的腐蚀环境。而且装置一旦发生泄漏会造成其邻近的钢结构处于高浓度的腐蚀性化工气体中，对钢结构造成更大的腐蚀危害。目前，为防止钢结构的大气腐蚀，在石油化工装置中的所有钢结构均需喷涂防腐蚀涂料，但是，防腐蚀涂料在实际使用过程中仍然存在过早失效的问题［2-3］，不能起到长效防腐蚀作用。而钢结构的腐蚀破坏严重威胁装置生产安全和人员人身安全，因此，需要根据石油化工钢结构的腐蚀特点，采取适当的防腐蚀措施。

1钢结构的腐蚀原因

影响石油化工企业钢结构腐蚀的主要因素有环境、设计选材、施工与管理等。1．1环境因素。石油化工企业钢结构的腐蚀主要为大气腐蚀。化工厂的工业大气中含有较高浓度的SO2和H2S等腐蚀介质，具有较强的腐蚀性，按文献［4］的规定，化工工业大气腐蚀等级划分为C4(高)至C5(很高)级。处于海滨的炼化中心，如广东大亚湾和广西钦州，受海洋大气和化工大气的双重影响，在某些局部区域大气的腐蚀等级能达到规定的最高腐蚀等级CX(极端)。研究表明，当石油化工企业的钢结构长期暴露在大气中时，若空气的相对湿度超过某一临界值，钢结构的表面就会形成水膜［5］，而一旦形成水膜，化工大气中的SO2，H2S，Cl2，HCl，CO2，NH3，NOx以及灰尘等物质将会被钢铁表面的水膜溶解，成为导电性良好的电解质溶液，从而加速钢结构的腐蚀。钢材表面形成水膜的空气相对湿度临界值与钢材的表面状态有关，当干净表面在空气中时，临界空气湿度接近100%;在接触过SO2的表面，临界湿度为80%;在3%氯化钠溶液中浸泡过的表面，临界湿度为55%［6］。临界湿度越低，钢结构表面越容易形成水膜。可以看出，对处于化工大气中的钢结构其表面易形成水膜也更易被腐蚀。沿海的炼化企业，钢结构所处大气环境中，既含有工业大气的有害杂质，又含有海洋大气环境的钠、钾、钙和镁等氯化物，这些氯化物被海风携带并沉降在钢结构的表面上，与钢结构表面水膜结合形成强腐蚀介质，使钢结构的腐蚀更加严重。1．2设计选材因素。一般大气环境中，钢结构涂料的选用没有考虑具体的环境介质和工艺条件等因素。针对户外钢结构的防腐蚀，习惯上采用亲水性较大，耐候性相对较差的适用于一般大气环境的涂装体系，即采用醇酸底漆和面漆两层结构，另外不再加中间漆。但对于石油化工企业，由于其工业大气中含有较多腐蚀性较强的SO2和H2S气体，若钢结构外防腐蚀涂层采用底漆和面漆两层涂装结构，其耐用性肯定较差，即使面漆采用耐候性和耐蚀性均较好的氯化橡胶涂料，也存在过早失效的问题。1．3施工因素。除设计选材外，防腐蚀涂装的施工工艺也是影响涂层质量的关键。采用合适的表面处理方法将钢结构表面的杂质清除干净，如污物、锈层和轧制钢材时形成的氧化皮。按文献［7］中的规定，钢结构表面需达到Sa2．5级以上。对户外钢结构常用的表面处理方法有工具除锈(包括手动和动力工具除锈)和喷射除锈。喷射除锈和手工除锈相比，同一种油漆在相同的腐蚀环境下，采用前者除锈较后者的漆膜寿命可延长3～5倍。若现场施工过程中仅依靠手工除锈，难以彻底清除钢结构表面的旧漆与锈垢，易导致涂层附着力差，造成涂层过早失效。一般防腐蚀涂层越厚，其耐蚀性能越好。结合文献［8］中的要求，防腐蚀涂料的最低使用年限、各涂层的干漆膜厚度和总厚度需要根据各单体的重要性、维修的难易程度以及建设工程的要求确定［9］，一般来说，干膜总厚度最少不低于200μm。由于钢结构防腐蚀涂装的施工工艺不合理，现场施工时仅3～4道涂装，且省略了中间漆，这样就会导致干膜总厚度不足，而干膜总厚度不足的涂层易发生水和氧气的渗透现象，致使涂层起泡、剥离及失效。1．4管理因素企业更注重生产效益，没有专职防腐蚀管理人员，一般由设备管理人员兼管防腐蚀，而设备管理人员更关注与生产工艺流程相关的设备，容易忽视钢结构的防腐蚀问题。一是在钢结构外防腐蚀施工过程中，疏于管理施工质量，对施工队伍资质审查不严;二是由于石化企业装置的检维修周期较长，多在3a以上，对钢结构外防腐蚀涂层不能及时进行维护。

2防腐蚀措施

金属防腐蚀最常用的一种方法是表面涂覆有机涂层，涂层的防护作用主要是:(1)对金属基体起着机械保护作用或屏蔽作用;(2)具有良好的抗渗性能，减缓水蒸气、氧气或其他侵蚀性离子的渗透，阻碍基材金属的电化学腐蚀过程［10］。目前，钢结构所采用的主要防腐蚀手段是喷涂防腐蚀涂料，正确选择防腐蚀涂料和合理的施工工艺是保证防腐蚀质量的关键。2．1涂料的选择。按保护功能划分，防腐蚀涂料分为底漆、中间漆和面漆。一般重防腐蚀涂装的涂料配套体系为底漆+中间漆+面漆，各层涂料均有其功能特性，组合而成复合涂层，有效提高涂层的耐蚀性能。2．1．1底漆。底漆与金属基体直接接触，应具有很强的附着力和良好的防锈性能。基体表面除锈等级、粗糙度应达到相关标准要求。底漆需具有良好的阴极保护作用，富锌底漆作为防锈底漆的首选产品得到了广泛应用，常用的产品有环氧富锌底漆和无机硅酸锌底漆。环氧富锌底漆与无机硅酸锌底漆相比主要有以下优点:(1)环氧富锌底漆的施工性能较好，相对于无机硅酸锌底漆对表面处理的要求较低，需喷砂除锈至Sa2级，而无机硅酸锌底漆要求达到Sa2．5级;(2)环氧富锌底漆的附着力较强，与环氧云铁中间漆以及其他高性能的中间漆涂料均有良好的黏结性;(3)环氧富锌底漆的防腐蚀性能优良，主要用于石油化工设备的防腐蚀;(4)无机硅酸锌底漆的耐高温性能较好，可耐400℃高温，对于炼化设备钢结构有耐高温要求时可采用无机硅酸锌底漆。2．1．2中间漆。中间漆通常采用环氧云铁中间漆，环氧云铁中含有大量的云母氧化铁(简称云铁)，其含量达涂料中所用颜料的80%左右［11］，云铁的结晶体为薄片或板状，交叉分布在涂层中，有效增加漆膜的机械强度;另外，由于云母氧化铁的微观片状结构可增强涂层的抗渗性能，特别适用于潮湿环境下的防腐蚀。中间涂层的作用主要有:(1)增加漆膜厚度，一般是选用厚浆型涂料或增加涂刷遍数，提高涂层的耐久性和防腐蚀性能;(2)经济性好，相比于单纯使用底漆+面漆，延长了涂层使用年限，降低维护成本;(3)作为中间涂层，增大底漆和面漆之间的附着力和连接强度。2．1．3面漆。面漆是涂层中最外层的涂料，直接与环境接触，在漆膜中起主要的装饰和保护作用。不仅要有良好的耐环境腐蚀性能，还要有良好的耐候性。钢结构外防腐蚀常用的面漆有丙烯酸聚氨酯涂料、氯化橡胶涂料和氟碳涂料。三种涂料中耐候性最好的是氟碳涂料，其次是丙烯酸聚氨酯涂料和氯化橡胶涂料。聚氨酯涂料具有优异的性能［1］，如优良的物理机械性能(包括硬度、柔韧性、耐磨性)、耐环境腐蚀性能、耐候性及良好的保光、保色性能，常用于标志性建筑和大型工业装置的外防腐蚀，聚氨酯涂层的装饰保护作用可达到10～20a。丙烯酸聚氨酯涂料是聚氨酯涂料中性能较好的一类重防腐蚀涂料。氟碳涂料不仅耐腐蚀性能优越、还具有优异的耐候性和耐沾污性能，作为钢结构外防腐蚀其使用年限可达20a以上，大大延长了涂料的维护周期，虽然投资较高，但维修成本降低。目前，氟碳涂料在我国大型储罐和桥梁的防腐蚀中得到了应用［12-13］。氟碳涂料作为钢结构防腐蚀的新型涂料具有良好的市场发展前景。2．1．4涂层配套方案。石油化工企业钢结构处于含较高SO2和H2S的化工大气中，环境腐蚀性较强。推荐钢结构的长效防腐蚀涂装配套体系为底漆采用环氧富锌涂料、中间漆用环氧云铁、面漆为丙烯酸聚氨酯涂料或氟碳涂料。底涂层与金属基层的附着力大小应符合文献［14］的相关规定，按照拉开法的测试方法，附着力不宜低于5MPa。经喷射清理，碳钢基材上基于一定耐久性要求和大气腐蚀性级别下涂料体系的额定干膜厚度，按文献［15］的规定见表1。2．2加强涂装工程质量监督与检测钢结构防腐蚀是一个系统工程，其防腐蚀质量受钢结构工程使用方、工程设计方与施工监理方等多方面的综合因素影响。只有各方对钢结构防腐蚀足够重视，钢结构的安全与使用寿命才能得到可靠的保障。对钢结构涂装工程做好全过程管理，需注意以下几个方面:(1)选定专业的施工队伍，施工之前审查涂装方案是否满足设计要求;(2)设置专门的防腐蚀工程专家对钢结构的整体防腐蚀技术进行评估;(3)委托第三方检测机构，检验涂料质量、严格检查钢结构表面预处理质量及涂料施工性能等;(4)审查施工方案，对涂装施工过程进行监督，确保其施工工艺合理;(5)工程移交时，对钢结构的整个外防腐蚀涂装工程质量进行检测，如表面质量、总干膜厚度;(6)竣工验收后进行定期检测与维护。

3结语

石油化工企业钢结构处于腐蚀性较强的化工大气环境中，大气腐蚀等级为C4(高)至C5(很高)级。钢结构防腐蚀工程与钢结构的安全运行和寿命保障密切相关，应加强钢结构防腐蚀施工管理与质量监督。钢结构防腐蚀的主要手段是使用前涂装防腐蚀涂料，优先选用石油化工钢结构的长效防腐蚀涂装配套体系采用底漆+中间漆+面漆的复合涂层，底漆采用环氧富锌涂料、中间漆用环氧云铁、面漆为丙烯酸聚氨酯涂料或氟碳涂料，干膜总厚度大于200μm。

作者:刘刚 单位:中石化洛阳工程有限公司