石油化工管式爐的涂料選用和涂裝工藝制定

楊 鋒

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 201003)

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石油化工管式爐的涂料選用和涂裝工藝制定

楊 鋒

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 201003)

石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)按照構(gòu)件形式分為管式爐本體構(gòu)件和附屬構(gòu)件，而絕大多數(shù)管式爐本體構(gòu)件(也包括極少數(shù)附屬構(gòu)件)需要能夠承受高溫，因此它們?cè)谕苛线x用上有一定的區(qū)別。管式爐的保溫層下因其特殊性對(duì)涂裝提出了更高的要求，同時(shí)為了和保溫層的有效連接，爐壁上還會(huì)焊有不銹鋼保溫釘，在保證保溫層下鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量的同時(shí)要保證不銹鋼保溫釘不被涂料污染；涂裝前正確的表面處理也必不可少，此外管式爐還有其他特殊涂裝要求。討論了石油化工管式爐的涂料選用和涂裝工藝的制定方法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)的涂裝從業(yè)人員具有很好的指導(dǎo)作用。

石油化工 管式爐 涂裝 涂料

1 石油化工管式爐簡(jiǎn)介

將原油轉(zhuǎn)換成石油化工產(chǎn)品(包括成品和中間產(chǎn)品)的許多裝置，包括常減壓蒸餾裝置、蠟油加氫裂化裝置、連續(xù)重整裝置和聯(lián)合制氫裝置等都使用石油化工管式爐。常減壓蒸餾裝置的作用是先對(duì)原油進(jìn)行常壓蒸餾析出輕汽油、蠟油等，再對(duì)剩余原油減壓蒸餾析出減壓柴油和減壓渣油；蠟油加氫裂化裝置對(duì)蠟油等重油進(jìn)行加氫裂化生成加氫裂化燃料氣、汽油、柴油和加氫尾油等；連續(xù)重整裝置對(duì)輕汽油進(jìn)行重整生成富氫氣體和芳香烴；這些富氫氣體則作為聯(lián)合制氫裝置制備氫氣的原料。

這幾種管式爐的結(jié)構(gòu)大同小異，按照結(jié)構(gòu)形式可分為管式爐本體和附屬構(gòu)件，附屬構(gòu)件又包括支撐、附框架、柱腳、樓梯和欄桿等。爐本體由于要承受反應(yīng)的高溫可以稱之為涉熱構(gòu)件，附屬構(gòu)件可以稱之為冷構(gòu)件。爐本體從功能上又可以分為輻射段和對(duì)流段兩個(gè)部分；輻射段的作用是使管式爐內(nèi)的原料在高溫下發(fā)生反應(yīng)；對(duì)流段的作用是回收煙氣余熱，這些熱量被用來(lái)預(yù)熱并汽化原料油和鍋爐給水等，對(duì)流段上方與煙道連接。石油化工管式爐的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 石油化工管式爐的結(jié)構(gòu)

2 石油化工管式爐的涂料選用

2.1 石油化工管式爐的防腐選用原則

石油化工管式爐按結(jié)構(gòu)形式可分為爐本體和附屬構(gòu)件，爐本體內(nèi)部在生產(chǎn)過(guò)程中需要高溫加熱；為了保證石油化工管式爐的節(jié)能降耗，爐本體鋼結(jié)構(gòu)上會(huì)覆蓋一層隔熱材料。隔熱材料只是在一定的情況下隔絕熱量，爐本體鋼結(jié)構(gòu)仍然要承受一定的高溫，視隔熱材料隔熱效果的不同，爐本體鋼結(jié)構(gòu)需要承受的溫度也不盡相同，一般不會(huì)超過(guò)400 ℃；在高溫作用下一些涂料的涂層會(huì)受到破壞，所以本體鋼結(jié)構(gòu)上的防腐涂料選用時(shí)必須同時(shí)考慮涂料的防腐性能和耐熱性能。附屬構(gòu)件無(wú)需承受高溫，所以只需要考慮涂料的防腐性能即可；此外，在滿足涂料性能的前提下，盡可能選用價(jià)格便宜的涂料。

需要注意的是，一些附屬構(gòu)件離本體太近一樣要承受高溫，它的涂料選用就必須遵循本體鋼結(jié)構(gòu)；而一些本體部件也可能由于某些原因無(wú)需承受很高的溫度，則它可以選用不耐高溫的普通涂料。鋼結(jié)構(gòu)廠也可以據(jù)此將構(gòu)件劃分為涉熱構(gòu)件和非涉熱構(gòu)件，以便更好的區(qū)分。

2.2 附屬構(gòu)件的涂料選用

管式石油爐常用的涂料有環(huán)氧涂料、醇酸涂料、酚醛涂料、無(wú)機(jī)硅酸鋅涂料、有機(jī)硅涂料、聚氨酯涂料和聚硅氧烷涂料等。附屬構(gòu)件的涂料無(wú)須耐高溫故選用相對(duì)簡(jiǎn)單，適用即可。若構(gòu)件所處的腐蝕環(huán)境相對(duì)惡劣，如沿海工業(yè)城市，底漆和中間漆應(yīng)當(dāng)使用防腐蝕性能較高的涂料，環(huán)氧類涂料是一種很好的選擇，它不僅防腐性能優(yōu)異，且便于施工，價(jià)格也適宜；建議底漆選用環(huán)氧富鋅底漆，鋅粉的存在使得該涂料同時(shí)具有陰極保護(hù)作用和屏蔽作用；中間漆選用環(huán)氧云鐵中間漆，云母氧化鐵形成的層狀致密結(jié)構(gòu)使得水蒸氣和氧分子很難進(jìn)入涂層腐蝕鋼材；面漆選用聚氨酯面漆，聚氨酯涂料是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的面漆之一。這種配套在較惡劣腐蝕環(huán)境下很常用，如船用克令吊和沿海工業(yè)城市的建筑鋼結(jié)構(gòu)[1]。若構(gòu)件處于弱腐蝕環(huán)境的內(nèi)陸城市，底漆和面漆推薦使用防腐性能一般但價(jià)格便宜的醇酸涂料。有耐火要求的，在中間漆和面漆之間涂裝一層防火涂料，防火涂料需要同中間漆和面漆相兼容。無(wú)需耐受高溫的本體鋼結(jié)構(gòu)可以選擇和附屬構(gòu)件一樣的涂料。

2.3 本體鋼結(jié)構(gòu)的涂料選用

本體鋼結(jié)構(gòu)在涂料選用時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵因素是該涂料能否耐受高溫。因此需要選用能夠耐受一定溫度且能在該溫度下正常發(fā)揮特定功能的涂料，目前市場(chǎng)上的耐高溫涂料種類很多，所能耐受的高溫也各不相同；據(jù)報(bào)告最高可耐1 427 ℃[2]；耐高溫涂料總體來(lái)說(shuō)可分為無(wú)機(jī)涂料、有機(jī)涂料和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合涂料三大類。

無(wú)機(jī)涂料的耐腐蝕性和耐污染性普遍強(qiáng)于有機(jī)涂料，施工性能普遍較有機(jī)涂料差，對(duì)表面處理要求較有機(jī)涂料高，漆膜固化后堅(jiān)硬不易損傷但柔韌性較差，干膜厚度較低而影響防腐性能的發(fā)揮，有機(jī)涂料可以達(dá)到較高的干膜厚度；制造無(wú)機(jī)涂料所用的原料直接來(lái)自于自然界，儲(chǔ)備豐富、制造成本低廉、對(duì)環(huán)境污染小，而有機(jī)類涂料材料來(lái)源于石化產(chǎn)業(yè)，成本高昂，隨著石油的減少會(huì)更加昂貴，環(huán)境污染大；無(wú)機(jī)涂料普遍比有機(jī)涂料更耐高溫，這個(gè)特點(diǎn)決定了它更適合做耐高溫涂料。有機(jī)-無(wú)機(jī)耐高溫涂料兼具無(wú)機(jī)涂料和有機(jī)涂料兩者的特點(diǎn)。無(wú)機(jī)耐高溫涂料有硅酸鹽涂料、硅酸乙酯涂料等。有機(jī)耐高溫涂料有機(jī)硅涂料、有機(jī)氟涂料和有機(jī)鈦涂料等。

無(wú)機(jī)耐熱涂料中無(wú)機(jī)硅酸鋅目前在管式石油爐的耐高溫涂料中應(yīng)用較廣，主要原因在于一方面無(wú)機(jī)硅酸鋅與鋼底材的連接方式為化學(xué)連接，這種連接具有很強(qiáng)的附著力；另一方面無(wú)機(jī)硅酸鋅有更強(qiáng)的防腐蝕能力，鋅的存在賦予涂料陰極保護(hù)作用。當(dāng)然無(wú)機(jī)硅酸鋅涂料的選用也有一定的限制，無(wú)機(jī)硅酸鋅的化學(xué)連接方式對(duì)金屬基材的表面附著力很高，但其對(duì)基材表面處理的要求也高，若表面處理達(dá)不到規(guī)定的要求則會(huì)導(dǎo)致涂層的開裂和剝落；可見(jiàn)不同的涂裝工藝會(huì)導(dǎo)致不同的表面處理質(zhì)量，繼而影響到涂料的選用。

有機(jī)類耐高溫涂料中，有機(jī)氟涂料和有機(jī)鈦涂料的市場(chǎng)占有率不高，有機(jī)硅涂料是一種主要的耐熱涂料，國(guó)內(nèi)已有人制備出能耐700 ℃高溫的有機(jī)硅涂料。有機(jī)涂料中環(huán)氧涂料應(yīng)用極為廣泛，附屬構(gòu)件也推薦使用環(huán)氧涂料用于應(yīng)對(duì)惡劣的腐蝕環(huán)境，但環(huán)氧涂料無(wú)法耐受120 ℃以上的高溫是其一大遺憾。已有人通過(guò)涂料改性技術(shù)，將硅樹脂引入環(huán)氧樹脂制成新型涂料，兼具有機(jī)硅的耐熱性和環(huán)氧涂料的防腐性能[3-4]。有機(jī)類涂料本身施工性能就較無(wú)機(jī)涂料高，這種環(huán)氧有機(jī)硅復(fù)合涂料因?yàn)榄h(huán)氧基的特性適合在表面處理不良的鋼材表面涂裝使得施工更加方便。

3 石油化工管式爐的表面處理與預(yù)處理

鋼材表面在涂裝前首先要進(jìn)行表面處理，合格的表面處理是涂層牢固附著的保證，涂層質(zhì)量好壞是由表面處理質(zhì)量、涂料質(zhì)量、和良好的涂裝施工所共同決定的；表面處理有三種方法：拋丸、噴砂、打磨，其中打磨僅用于修補(bǔ)除銹和二次除銹，拋丸的處理效率很高，能夠節(jié)約時(shí)間和人工成本，但是它對(duì)構(gòu)件的橫截面形式有要求，橫截面過(guò)大和過(guò)于復(fù)雜的構(gòu)件不宜使用拋丸機(jī)進(jìn)行表面處理；噴砂能夠?qū)缀跞魏涡问降臉?gòu)件進(jìn)行表面處理，但處理效率較拋丸機(jī)低。石油化工管式爐屬于機(jī)電工程，它由附屬構(gòu)件和爐本體鋼結(jié)構(gòu)組成；附屬構(gòu)件除樓梯以外，橫截面都比較小，可以進(jìn)入拋丸機(jī)進(jìn)行整體拋丸，磨料噴砂法中拋丸較噴砂來(lái)說(shuō)成本低廉，效率更高，該方法應(yīng)優(yōu)先選用，附屬構(gòu)件若無(wú)法進(jìn)入拋丸機(jī)，可以參照管式爐本體鋼結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行表面處理。

爐本體鋼結(jié)構(gòu)橫截面較大無(wú)法進(jìn)入拋丸機(jī)進(jìn)行整體拋丸處理，因此建議用以下兩種方法進(jìn)行表面處理：(1)對(duì)爐本體鋼結(jié)構(gòu)完成裝配、焊接作業(yè)后直接進(jìn)行整體噴砂處理；(2)先對(duì)爐本體鋼結(jié)構(gòu)的板材和型鋼進(jìn)行預(yù)處理并噴涂與涂裝配套兼容的可焊性車間底漆，車間底漆只需起到臨時(shí)防銹作用即可，膜厚越薄越好，然后對(duì)板材和型鋼進(jìn)行裝配、焊接作業(yè)組裝成爐本體鋼結(jié)構(gòu)，再對(duì)涂層受損區(qū)域打磨至St3(ISO8501-1)除銹等級(jí)后進(jìn)行涂裝。相關(guān)施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的實(shí)際情況從以上兩種表面處理方法中選擇一種進(jìn)行表面處理，有條件的企業(yè)用第一種方法，噴砂房若規(guī)模較小或長(zhǎng)期被其他不得不使用噴砂進(jìn)行處理的鋼結(jié)構(gòu)(如船舶分段)占用時(shí)用第二種方法。

4 保溫層下的涂裝工藝制定

石油化工管式爐的一些反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)行，為了最大限度地節(jié)約能源等原因，會(huì)在管式爐設(shè)備和管道上覆蓋一層保溫材料；為了美觀等原因，保溫層的外部通常還要包裹一層金屬薄膜，這層薄膜使得保溫層內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)封閉或半封閉的環(huán)境，這樣的環(huán)境會(huì)帶來(lái)四個(gè)弊端：

(1)鋼鐵腐蝕速率和所處環(huán)境濕度、溫度密切相關(guān)；一般相對(duì)濕度越高，鋼鐵腐蝕速率越快；相對(duì)濕度恒定的情況下，溫度越高腐蝕速度也越快。絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)在溫度上升的同時(shí)，相對(duì)濕度會(huì)因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)上的水分受熱蒸發(fā)而隨之降低，腐蝕速度不見(jiàn)得會(huì)增加多少，而石油化工管式爐在加熱時(shí)因?yàn)橛邪饘俦∧さ谋貙拥拇嬖?，鋼結(jié)構(gòu)表面的水分難以溢出或難以在短時(shí)間內(nèi)溢出，會(huì)形成一個(gè)高溫高濕的環(huán)境，在這樣的環(huán)境中腐蝕速度會(huì)相當(dāng)快。另根據(jù)研究，保溫層下還會(huì)產(chǎn)生腐蝕性冷凝水[5]。

(2)石油化工管式爐不可能總是處于溫度恒定的加熱狀態(tài)，設(shè)備停工時(shí)會(huì)冷卻，開工時(shí)會(huì)再加熱，間斷加熱冷卻導(dǎo)致的溫度變化會(huì)加速涂層老化；

(3)保溫層的存在使得保溫層下的涂層檢修較困難，涂層破損脫落后造成鋼結(jié)構(gòu)腐蝕不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，甚至在造成泄漏甚至事故后才被發(fā)現(xiàn)；

(4)無(wú)機(jī)硅酸鋅是管式石油爐常用的耐高溫底漆，但根據(jù)中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)報(bào)道，近來(lái)有研究表明在60～120 ℃條件下金屬鋅可能與鐵發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，并且在50～150 ℃水中反應(yīng)迅速，因此美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)規(guī)定在50～150 ℃的保溫層下不應(yīng)使用無(wú)機(jī)硅酸鋅進(jìn)行防腐。

這些因素決定了保溫層下涂裝工藝的特殊性，保溫層下的鋼結(jié)構(gòu)涂裝應(yīng)當(dāng)更加嚴(yán)格，在表面處理和涂料選用上均要充分考慮到保溫層所處特殊環(huán)境所帶來(lái)的影響；一方面要盡可能地提高表面處理質(zhì)量，對(duì)于保溫層下的鋼結(jié)構(gòu)要盡量用磨料噴射法進(jìn)行表面處理，上一節(jié)介紹的第二種表面處理方法在此不推薦使用；另一方面要選擇能夠滿足保溫層下特殊腐蝕環(huán)境的涂料。保溫層下的腐蝕造成的損失很大，全球每年因此造成數(shù)十億美元的損失[6]；尤其是管式爐的管道，80%的保溫層下泄漏發(fā)生于管道[7]。

5 不銹鋼保溫釘?shù)耐垦b工藝制定

石油化工管式爐上的許多部件是不銹鋼的。不銹鋼只是不易生銹，但它一樣會(huì)發(fā)生腐蝕。因此很多不銹鋼部件也會(huì)被要求涂裝，除了最大限度地防止腐蝕而進(jìn)行雙重保護(hù)外，追求美觀也是不銹鋼涂裝的一大原因，但不銹鋼的涂裝不同于普通鋼材。不銹鋼涂裝前要進(jìn)行特殊的涂裝前處理，并且要選用適合不銹鋼的涂料[8-9]。

保溫層下的爐本體鋼結(jié)構(gòu)除了嚴(yán)格的涂裝工藝來(lái)應(yīng)對(duì)保溫層下惡劣的腐蝕環(huán)境外，一些爐本體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部還會(huì)焊接有不銹鋼保溫層固定釘(簡(jiǎn)稱保溫釘)，不銹鋼保溫釘有多種形狀，如l形、T形和Y形，這些固定釘?shù)拇嬖谀軌蜃尭魺岵牧吓c爐本體建立有效連接，但卻給涂裝工作帶來(lái)了很多不便。不銹鋼的涂裝是為了美觀和增加防腐蝕效果；不銹鋼保溫釘埋在保溫層中不需要美觀，且其僅用于固定保溫層連接，無(wú)需承受很大的力而不易斷裂，即使斷裂也不會(huì)造成嚴(yán)重后果。涂裝對(duì)不銹鋼保溫釘不會(huì)帶來(lái)任何增益，還要進(jìn)行特殊的表面處理并選用適合不銹鋼的涂料；保溫層下涂料選用本來(lái)就很嚴(yán)格，再挑選適合不銹鋼使用多有不便；一些不銹鋼保溫釘上還帶有螺紋，這是絕對(duì)禁止涂裝的。

因此不銹鋼保溫釘在涂裝前要進(jìn)行保護(hù)，建議使用塑膠管進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)橐粋€(gè)管式石油爐的爐本體內(nèi)部的不銹鋼固定釘數(shù)量成百上千，其他的保護(hù)方法工作量會(huì)相當(dāng)大，而塑膠軟管價(jià)格便宜、保護(hù)方便且能重復(fù)使用；具體方法是將塑膠軟管剪成需要的長(zhǎng)度，l形固定釘直接套上塑膠軟管，T形和Y形固定釘每根固定釘用兩根塑膠軟管保護(hù)，塑膠軟管的根部需要剪開一道口子(見(jiàn)圖2)；噴涂結(jié)束后保護(hù)的塑料軟管應(yīng)該便于拆除并可直接用于下一個(gè)帶有不銹鋼固定釘?shù)谋倔w鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的噴涂。

圖2 三種不銹鋼固定釘

6 管式加熱爐的其他涂裝要求

管式加熱爐鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和功能的特殊性，部分區(qū)域需要特殊涂裝，主要涉及鋼柱柱底和高強(qiáng)螺栓摩擦結(jié)合面。高強(qiáng)螺栓摩擦結(jié)合面可不涂裝或僅涂裝底漆，這是為了保證一定的抗滑移系數(shù)。一般情況下，不涂裝的抗滑移系數(shù)大于僅涂裝底漆。當(dāng)前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了專門用于高強(qiáng)螺栓摩擦面的抗滑移富鋅底漆，這種涂料涂裝在高強(qiáng)螺栓摩擦面上，在保證一定防腐蝕效果的前提下，抗滑移系數(shù)不會(huì)有較大幅度的下降，甚至可能比不涂裝還要高；當(dāng)然這種涂料的價(jià)格也較貴，并且專門對(duì)摩擦面進(jìn)行保護(hù)再涂裝抗滑移底漆增加了施工成本，管式石油爐若對(duì)結(jié)構(gòu)載荷和防腐性能有較高要求時(shí)可以采用此油漆。鋼柱柱底一般會(huì)因?yàn)榕c混凝土接觸而無(wú)需涂裝[10]，柱底方面的地腳螺栓摩擦結(jié)合面，處理方法一般同普通高強(qiáng)螺栓摩擦結(jié)合面。

7 結(jié) 語(yǔ)

石油化工管式爐屬于建設(shè)工程中的機(jī)電工程，它和普通建筑鋼結(jié)構(gòu)的涂裝工藝制定有一定的區(qū)別，了解石油化工管式爐的涂裝工藝制定對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠的涂裝技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯 張向陽(yáng))

Selection of Coatings for Tube Furnace in Petrochemical Industry and Coating Process

YangFeng

(SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineeringofJiangsuUniversityofScience&Technology,Zhenjiang210003,China)

The structure of tube furnace in petrochemical industry is divided into body structural members and attachment members.Most of body structural members of tube furnaces (also including some attachment members) have to be operated under high temperature.Therefore,special consideration shall be given in coating selection.The coating under the heat insulation tube furnace has a higher requirement.In order to have a good connection with heat insulation,stainless steel anchor bolts have to be welded on the shell of furnace.The quality of coating on the steel structure under the insulation should be ensured and stainless steel anchor bolts shall not be contaminated by coating.Good surface treatment is required before coating application,and tube furnace has other special requirements for coating application.The selection of coatings and determination of coating process for tube furnace in petrochemical industry are discussed,which provides a good guideline for the coating operators.

petrochemical,tube furnace,coating application,coating

2015-12-12；修改稿收到日期：2016-03-23。

楊鋒(1983-)，工程師，江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程領(lǐng)域在職碩士，研究方向?yàn)榻ㄖc船舶鋼結(jié)構(gòu)的涂裝工藝制定。E-mail：lxyangfeng@126.com