保溫層下腐蝕及防護措施

(北京沃利帕森工程技術有限公司，北京 100012)

保溫層下腐蝕(Corrosion Under Insulation，簡稱CUI)是指保溫層覆蓋下的金屬管道或設備，在水和腐蝕性物質的參與下發生的腐蝕現象。CUI隱蔽性強，很難在第一時間發現，因而極易引發突發泄漏事故。一般運行5年后的設備或管道發生保溫層下腐蝕的概率大幅上升，而運行16～20年的管道最容易發生泄漏[1]。CUI不僅造成產品泄漏、裝置故障或停工及維修成本增加，甚至有可能發生傷亡事故。每年全球由于CUI所造成的損失高達數十億美元[2]。在國內工程中，CUI一直未能得到普遍重視，或僅從保溫層設計或防護涂層單一方面入手,因此從工程運營全周期對其進行全面分析很有必要。

1 CUI的發生機理

CUI的發生是水、污染物以及溫度共同作用的結果。保溫層下的水主要來自兩個方面：(1)外界的水滲透及冷凝。由于外保護層的設計缺陷、某些部位施工不當及機械損傷等原因都會使水進入保溫層。(2)保溫層內蒸汽和熱水伴熱管的泄漏也是水的一大來源，同時，當金屬表面溫度低于介質露點溫度時，水蒸氣也會凝結在金屬表面形成液態水。導致保溫層下腐蝕的主要污染物有氯化物和硫酸鹽等，污染物來自外部環境和保溫材料，保溫層所用的材料含有大量的無機鹽(如硫酸鹽、氯化物和氟化物等)。無機鹽在水中大多有較高的可溶性，能增加水的電導率及腐蝕性。金屬鹽的水解會引起陽極區的pH值降低而導致局部腐蝕[3]。金屬表面和保溫材料間形成的薄層電解質溶液，為電化學腐蝕創造了必要條件。電化學腐蝕產物Fe(OH)3和Fe3O4較為疏松，腐蝕介質能順利穿過腐蝕產物并繼續腐蝕金屬本體,因此金屬表面某處一旦發生腐蝕，就會不斷地發展下去[2]。

腐蝕介質的濃度、氧含量及溫度都會影響CUI速率。最容易發生CUI的溫度范圍是-4～175 ℃。當溫度低于-4 ℃時，一般沒有腐蝕；而在溫度高于175 ℃時，金屬表面溫度足夠保持其干燥，也很少發生腐蝕。在達到水的沸點之前，溫度每升高15～20 ℃，腐蝕速率就會增加一倍。周期性的溫度變化，會導致腐蝕介質的不斷濃縮和聚積，加劇了該區域的腐蝕。

工程設計中往往較多關注了碳鋼的腐蝕，而忽視了不銹鋼和合金鋼的腐蝕。不銹鋼和合金鋼的腐蝕不易被發現，但其腐蝕比碳鋼腐蝕更危險。碳鋼和低合金鋼在保溫層下的腐蝕常表現為均勻腐蝕和點蝕;奧氏體不銹鋼在保溫層下的腐蝕為應力腐蝕開裂和點蝕。循環通過水露點的操作工況對應力腐蝕開裂特別敏感：低溫時存在的水，在高溫時蒸發，每次溫度循環，水中溶解的氯化物鹽類都會在表面濃縮[3]。對應力腐蝕開裂最敏感的不銹鋼是18-8不銹鋼。高鎳、鉻、鉬奧氏體不銹鋼和低鎳、高鉻含量的雙相不銹鋼在保溫層下不易發生應力腐蝕開裂[4]。

2 CUI的防護措施

2.1 防護層設計

外防護層能有效阻止或阻擋外部水分及腐蝕介質的進入。外防護層有金屬和非金屬兩大類,外防護層選擇需要綜合考慮成本、環境腐蝕性及操作溫度等因素。工業應用最廣泛的金屬防護層有鍍鋁、鍍鋁鋅、鋁皮和不銹鋼。在海洋性氣候條件下，空氣相對濕度大，空氣中鹽分含量較高，保溫層下腐蝕較嚴重。工程實踐表明，碳鋼鍍鋁鋅在海洋性氣候條件下抗腐蝕性能較好。

只有防護層結構設計合理，才能有效阻止外部水分進入保溫層，可參考相關工程設計手冊。該文僅以保溫盒為例介紹防護層設計的要點：連接處應搭接以降低外部水分進入的可能性，搭接后接縫應涂抹密封膠，盒蓋上部應保持傾斜以便于排水，閥門盒底部應設置排水孔等。管道保溫盒設計見圖1。

圖1 保溫盒設計

工程設計還應注意以下幾點：(1)管道布置間距應合理，留足保溫空間，充分考慮管道之間，管道和其他設施之間的間距，特別關注保溫盒所占空間；(2)減少管道設備保溫開口，開口越多水和污染物侵入保溫層中可能性越大;(3)設備附件應避免出現穿透保溫層的結構和導致水分滯留的外形結構;(4)裝置應設置合理通道，以免維護人員踩踏保溫外皮。

2.2 保溫材料選擇

保溫層是水及電解質擴散的通道，選擇合理的保溫材料能有效降低CUI的影響。保溫材料分親水型和疏水型兩大類，疏水型保溫材料分為自身疏水 (泡沫玻璃) 和加入化學添加劑疏水 (如WRG巖棉),常用的親水型材料有巖棉和硅酸鈣等。工程實踐表明，吸水性材料會加速CUI速率;而自身干燥速率快、貯存水分少的保溫材料可以有效降低CUI。保溫材料的選擇，還應結合考慮材料的經濟性、導熱性能、使用溫度限制、抗壓強度及施工性能等因素。

任何保溫材料都無法阻止CUI發生[5]，主要是由于：(1)防護層結構所決定。防護層上必然存在開口，保溫材料與金屬表面之間必然存在間隙，提供了水和腐蝕介質的進出通道；(2)保溫材料本身的組成所決定。保溫材料具有可濕性、水溶性和滲透性；(3)保溫材料自身帶入污染物,在保溫材料變潮或受濕后，污染物從保溫材料中滲出，隨著水分向金屬表面擴散。

2.3 防腐蝕涂層選擇

保溫層下防腐蝕最為關鍵的措施是金屬表面涂覆高性能防腐蝕涂層。防腐蝕涂層從物理角度隔斷了水及污染物向金屬基體表面的擴散，是降低CUI的有效措施。

有機涂層是工程中應用最廣的的防腐蝕涂層，其原理主要是通過有機涂層與金屬基體形成良好的粘結層來阻擋水及電解質向金屬表面的擴散；防腐蝕性能主要取決于涂層與金屬基體的粘結強度和涂層抵抗水及侵蝕性離子滲透的能力。耐高溫涂層一直是CUI研究的重點，防腐蝕耐高溫涂層體系及特性如下[3]：

(1)環氧樹脂體系，適用于溫度較低處，耐酸性一般，涂層較硬。

(2)環氧酚醛體系，適用溫度可至250 ℃，是常用的耐高溫涂料，其電絕緣性良好，耐水及抗一般化學品腐蝕性能較好，但機械性能較差。

(3)有機硅樹脂體系，適用溫度可至600 ℃，是常用的耐高溫涂料，其高亮度、高硬度耐磨及絕緣性能好，但耐堿性差，在高溫下可能會產生回粘。

(4)無機共聚物體系適用溫度可超過1 000 ℃，其具有較高的耐熱性、導熱系數低及電絕緣性好，但使用成本較高，常用于超高溫工況。

新型涂層技術在CUI預防中也得到了廣泛的應用，其中包括熱噴鋁和冷噴鋁等。熱噴涂技術是利用氧燃料或噴射電弧，將噴涂材料加熱至半熔融或熔融狀態，通過氣流吹動使其霧化高速噴射到零件表面，形成噴涂層。美國腐蝕工程師協會研究表明，熱噴鋁涂層能有效預防碳鋼的CUI，對設備的防護壽命達到20～30年。冷噴鋁涂層，主要成膜物質是鈦改性無機共聚物，片狀金屬鋁，能充分發揮屏蔽保護作用。冷噴鋁涂料在高溫情況下，尤其是熱沖擊或熱循環工況條件中，表現出了優異的防腐蝕性能。轉化膜新技術、滲鋁技術已成功應用于長輸管防腐蝕工程中。

金屬表面防腐蝕涂層的選用，應綜合考慮最高運行溫度、持續運行時間以及涂層推薦應用壽命來進行選擇。工程設計中可參考相關標準，如HG/T 20679—2014《化工設備管道外防腐設計規范》及美國腐蝕工程師協會(NACE)最新標準NACE SP0198—2010《保溫層下和防火材料下面腐蝕控制》。NACE SP0198—2010從腐蝕機理、結構設計、保溫材料選擇及防腐蝕涂料選擇等方面非常詳細地介紹了CUI的產生和預防手段，列出了部分針對不銹鋼以及碳鋼表面防腐蝕處理的涂層體系,具有極強的指導意義。

2.4 檢測與維護

CUI具有隱蔽性和偶然性。有效的檢測和維護，能最大程度地降低和減緩CUI的發生。除目視檢測外，常用的檢測方法有: X射線或γ射線背反射;深度滲透渦流(厚壁)、微波和紅外成像等。渦流技術在帶防腐蝕涂層檢測技術中報道較多，其原理是基于磁感應將保溫層下出現腐蝕或微裂紋通過渦流大小顯現出來。對目視檢查腐蝕嚴重的，在測厚檢測的基礎上，還應輔以蝕坑測量、光譜分析及X光成相等技術手段，準確評定腐蝕程度和評估風險。對不易檢查和檢查費用較高的管線(如塔附屬管線)可采用導波檢測。

維護應重點關注易發生CUI的部位[6]，主要包括：(1)冷卻塔溢出水影響區域；(2)暴露于濕氣或酸氣、液體溢濺及Cl-含量高區域；(3)蒸汽排放點附近；(4)保溫層系統分支或開口部位，如管線的支吊架和高低點放空等;(5)包覆層、防潮層及防腐涂層老化的部位；(6)保護層接縫處水平上半部和密封搭接不嚴實的部位；(7)保護層脫落或損壞的部位； (8)豎管保溫的終端；(9)保溫層下法蘭、螺栓和其他附件；(10)設備穿透保溫層的部位(如支腿、管口、支架及銘牌等伸出部位)和水分容易滯留的部位等。維護還應重點關注對工廠安全運行影響大的高溫高壓和有毒有害管道設備的CUI狀況。

3 結 語

CUI的發生是水和腐蝕性介質對保溫層下金屬表面長期作用的結果。防腐蝕涂層的防護是降低CUI影響的關鍵，除此之外，還應注意防護層設計、保溫材料選用及定期檢測與維護等。