高分子化工材料在化工防腐中的應用研究

任小逆，張洪鑫

(鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121)

1 化工機械設備腐蝕原因探析[1，2]

1.1 內部原因

其一是金屬晶體的密度越大，其耐腐蝕性能越好。 化工企業生產加工過程中，為降低設備遭受腐蝕概率， 已最大限度減少應用酸堿等易腐蝕溶液，但無法禁止使用酸堿溶液。 化工設備的結構設計并不科學， 主要原因是化工設備中很多部件都不能按嚴格要求焊接， 以及在實際生產中產生大量液體， 存在大量的裂紋和角點[3]。在裂縫和拐角處，不僅工人很難清洗，而且腐蝕和老化的部分也越來越多。 其二是化學設備的表面不光滑甚至粗糙， 這會增加液體對設備和部件的腐蝕。

1.2 外部原因

一般情況下化工設備所用材料大都為金屬材質，因使用材質不同受到腐蝕程度也存在較大差異。 目前我國大部分化工企業為了達到經濟效益最大化，選購設備時先考慮成本，再考慮材料。這也直接導致選用材料晶粒直徑過大，抗化工腐蝕性差，使設備使用壽命變短，直接影響企業生產效率。

外因也是化學機械設備發生腐蝕的重要原因。 腐蝕性氣體或溶液極易腐蝕機械設備，化學工業生產中， 許多機械設備運行在特殊環境中，酸、堿腐蝕嚴重。 氣、液流動速度不同，對設備的腐蝕程度也不同[4]。

2 高分子材料耐腐蝕特性

高聚物材料最突出的特點是具備超強的耐腐蝕性能，我們充分利用這一特點，將此種材料應用于機械設備設計中。

使用高分子聚合材料制造的化工設備，其微觀結構緊密（如圖1 所示），計量罐、管道、閥門等不易發生滲漏，是化學制劑防腐的優質材料。 因高分子聚合材料具有化學惰性，可防止聚氯乙烯的主鏈受到化學損傷[5]。 一些設備遭到腐蝕破壞主要是因為微生物繁殖和侵蝕，而高分子材料不利于微生物繁殖，被腐蝕概率會大大降低。

圖1 高分子聚合材料微觀結構

經過化學處理后，材料表面會形成一層新型防腐蝕涂層，樣品是S-148 芳香族(UP)不飽和聚酯樹脂。 常溫浸泡70%硫酸溶液0.5～1a 后，表面變黑。 除表面的黑化層外，發現內部無變化，僅表層起化學作用。 經紅外光譜和X 射線光電子能譜分析，主鏈苯環上出現磺化反應。 將磺酸基團引入主鏈可提高表面結構的致密性，而新的磺酸基團則能抵抗硫酸的攻擊，空間位阻效應則能保護設備主要結構，防止硫酸進一步滲入[6]。

3 腐蝕試驗方法

多年來的研究與應用表明，靜浸處理法基本符合實際。 本文設計的材料耐腐蝕試驗主要是依據ASTNC581 和GB3857 標準， 從多角度出發全面評價高分子聚合材料的優越性：1）外觀變化；2）介質外觀變化；3)質量變化率；4）強度保持率(一般選擇抗壓強度)。

選擇不同的溫度進行試驗：在0～50℃范圍內進行常溫試驗，在50℃以上進行高溫試驗，記錄在不同溫度下試驗材料被腐蝕情況，可較好地反映出材料在特定介質中的耐腐蝕性（如圖2 和圖3 所示）。

根據圖2 和圖3 可知： 在應用高分子化工材料前，在0～50℃范圍內進行常溫試驗以及在50℃以上的高溫試驗中，試驗樣本腐蝕情況均較為嚴重。 在應用高分子化工材料后，試驗樣本腐蝕情況得到明顯改善，即使試驗溫度超過50℃，其腐蝕面積也始終低于2cm2。

圖2 0～50℃范圍內的常溫試驗

圖3 50℃以上的高溫試驗

4 耐腐蝕級別及其評價辦法[7]

4.1 極抗腐蝕。 在溫度高于50℃的條件下，聚合材料浸泡在腐蝕介質中長達144h， 其表面無顏色、 光澤等變化， 表面粗糙度不變， 強度大于90%，質量變化率小于0.5%的試件。

4.2 耐蝕性。 在設定標準溫度下，高分子聚合材料表層顏色有明顯變化，但材料表面的粗糙程度未出現明顯的變化， 測試材料的耐磨性維持在85%左右。

4.3 機械設備耐蝕性。在4.1 條件下，試樣的顏色會發生變化，試樣的表面光澤度和粗糙度也會發生變化，但不會發生點蝕，強度保持率大于60%，質量變化率小于2%。

4.4 玻璃耐蝕性。 在實驗條件溫度設定在50℃的情況下，聚合材料浸泡在腐蝕介質中超過100h。材料表面有明顯的腐蝕坑， 耐磨強度低于60%，質量變化率大于2%。

5 化工防腐蝕過程中高分子材料應用方式

5.1 涂層

它是一種常用的高分子防腐材料，用于需要防腐零件的涂裝。 主要目標是將腐蝕介質與材料隔離，避免它們之間發生化學作用[8，9]。 大氣防腐常用的介質不同于涂層材料，適用于強介質氣相防腐或液體制劑防腐的噴涂塑料，在強介質液相腐蝕中，可采用玻璃鱗片增強涂層、橡膠襯里和玻璃鋼防腐涂層。

5.2 整體防腐

各類耐腐蝕設備全部采用高分子材料代替金屬材料，因其重量輕、運輸方便而受到人們的青睞。 內襯FIFE 玻璃鋼閥門、橡膠管、聚氯乙烯防腐蝕容器、復合鋁塑管、玻璃鋼儲罐等。

5.3 墊圈

常見的含氟高分子材料制作各種防腐蝕墊圈。

5.4 調節化學介質質量分數

化學介質添加質量分數可直接影響化工設備的抗腐蝕程度，若化學介質加入不當可造成化工設備被嚴重腐蝕。 化工設備在最初設計時需要根據規定標準及規范進行設計，若在使用過程中接觸到的腐蝕溶液的質量分數超出設計時所能承受的規定標準時，必然會導致化工設備遭到嚴重腐蝕。 如在化工生產過程中有化學介質加入，化工設備的抗腐蝕性嚴重降低，會對其使用壽命帶來影響。 采用高分子材料作為化工設備主材時，也要關注硫化氫、氫氧化鈉的配比，按最佳比例注入化學介質更利于增加化工設備的使用壽命；將高分子聚合材料防腐涂層涂于化工設備之后，要增加一步應力熱處理，化學介質中的氫氧化鈉含量按規定比例加入，嚴格控制設備運行溫度，盡可能避免因化學介質加入不當而造成腐蝕破裂狀況發生。

6 有效防腐層厚度設計

6.1 氣相防腐

動態腐蝕與靜態腐蝕是氣相腐蝕過程中較為常見的兩種類型，在兩種不同腐蝕狀態下要求防腐涂層達到的厚度也有明顯差異。 發生氣相腐蝕時， 腐蝕液體的濃度和氣體滲透率都較低，在防腐涂層的保護作用下，化工設備可以達到防腐設計標準。

腐蝕介質處于流態條件下，聚合材料若處于高溫狀態，對材料耐腐蝕性能要求更高，要滿足化工生產還需加強氣相防腐，同時加涂抗腐蝕性能強的涂層，如特種防腐涂層、玻璃鱗片樹脂涂層等等，加涂涂層的厚度最好大于1 mm。

6.2 液相防腐

化工生產中常用到存儲液體設備有運輸罐車、儲罐、發酵罐等，而盛裝的液體多為鹽酸、硫酸、堿液、硝酸等，經過化工生產實際驗證，強腐蝕性液體的運送可使用玻璃鋼材質的儲罐，儲罐內部涂層可有效避免被液體腐蝕， 涂層厚度超過3 mm，液體更不容易發生滲漏的情況。

動液相腐蝕是指儲存和使用動態介質中的動液相腐蝕設備或附件，如：管道、閥門、泵、反應器、容器等，不僅存在靜態液相的腐蝕滲透，還存在腐蝕磨損的問題，而且維護條件十分惡劣。 目前，高分子材料制件與化工設備襯里的一體化解決了工作溫度超過100℃就會出現工作液發生腐蝕的問題。

總之，隨著化工行業的深入發展，對化工材料和設備防腐工作的關注也越來越多。 使用高分子材料， 在一定溫度范圍內具有良好的防腐性、耐無機酸、耐堿性。 所以，結合不同的腐蝕條件，選擇不同材質的高分子材料，研究耐腐蝕高分子材料在高溫下的應用環境，對于提高聚合物材料的社會適應性，促進其應用具有重要意義。