納米陶瓷內襯耐磨防腐涂層在高含硫凈化裝置的耐蝕性能研究

李 杰

（中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川 達州 635000）

0 引言

某天然氣凈化廠以高含硫天然氣為原料，H2S平均含量為14%（V），CO2平均含量為8%（V），采用MDEA法脫硫、TEG法脫水、常規克勞斯二級轉化法硫磺回收、加氫還原吸收尾氣、單塔低壓汽提酸水的工藝路線。每套聯合裝置天然氣凈化能力為2×300×104m3/d，6套聯合裝置年凈化天然氣120×108m3，年產凈化氣95×108m3，年產硫磺240×104t。凈化裝置管道材質主要包括碳鋼、不銹鋼等。在管道法檢中，發現部分高含H2S、高壓高溫壓力管道直管段、彎頭等存在嚴重減薄，主要集中在胺液系統、蒸汽系統等部位，材質主要為碳鋼。運行期間，貧富胺液換熱器富胺液管線、半富胺液泵出口低壓蒸汽管線等曾多次發生減薄泄漏，嚴重影響裝置安全平穩運行。經原材質更換后運行周期短，未能從根本上解決問題。陶瓷材料不僅具有高熔點、高強度、硬度大、化學穩定性強等特點，而且最主要的是陶瓷材料具有較低的熱膨脹系數。將其作為涂層，可大幅度提高金屬設備的耐高溫、耐磨蝕、抗高溫氧化等性能[1,2]。

復合陶瓷涂層通常是由粘結劑、固化劑、功能填料（如耐磨材料、耐高溫材料等）及一些必要的輔助材料復合而成。其中粘結劑主要起到成膜作用，使被粘結物質與金屬基體緊密的結合；固化劑又被稱為硬化劑，固化劑的主要作用是與粘結劑發生反應，并且形成空間網絡結構即涂層；填料是陶瓷涂層的主要功能性材料，改善涂層的工藝性能、提高涂層的強度及耐久性；輔助材料的主要作用是改善涂層的性能。

納米陶瓷涂層設計的關鍵在于涂層粘結劑，即環氧樹脂的改性合成及陶瓷材料的制備和加入。環氧樹脂固化物內應力大、質脆，耐疲勞性、耐熱性、耐沖擊、耐開裂性和耐濕熱性較差，有機硅樹脂則具有的熱穩定性、耐氧化、耐候、表面能低、介電強度高等優點，彌補了環氧樹脂的缺陷，降低了環氧樹脂的內應力，增加了環氧樹脂的韌性，提高了其耐熱性能。采用納米二氧化硅對有機硅改性的環氧樹脂進行二次改性，利用納米級粒子特有的尺寸及界面效應，提高樹脂性能[3]。

本文通過正交設計確定綜合性能較優的NCARC-01型、NC-ARC-02型、NC-ARC-03型及NCARC-04型4種工藝產品配方，分別對其進行耐酸性能分析，耐堿性能分析，模擬胺液腐蝕分析及綜合力學性能分析。確定最優工藝參數。

1 試驗及分析

（1）耐酸性能試驗

耐酸性試驗依據GB/T 0247-1988《色漆和清漆耐液體介質的測定》中浸泡法進行測定，浸泡液選用10wt%HCl溶液進行浸泡，浸泡時間為96h，試樣編號如表1所示，浸泡后將試樣取出清洗，并觀察試樣表面形貌。

表1 試樣編號

耐酸性試驗結果如圖1所示，試樣經浸泡后1#試樣表面平整，涂層表面無起泡、起皺、脫落、腐蝕等；2#試樣表面出現少量氣泡，并存在起皺及黑色腐蝕產物；3#試樣涂層表面分布大量氣泡；4#試樣涂層表面存在黑色腐蝕產物；

圖1 酸性溶液浸泡96h后的納米陶瓷涂層形貌

（2）耐堿性能試驗

耐堿性試驗依據GB/T 0247-1988《色漆和清漆耐液體介質的測定》中浸泡法進行測定，浸泡液選用10wt%NaOH溶液進行浸泡，浸泡時間為96h，試樣編號如表1所示，浸泡后將試樣取出清洗，并觀察試樣表面形貌。

耐堿性試驗結果如圖2所示，1#、3#、4#試樣表面涂層未出現起泡、起皺、脫落、腐蝕等情況，表面平整無破損，2#試樣涂層表面出現鼓泡；

圖2 堿性溶液浸泡96h后的納米陶瓷涂層形貌

（3）模擬胺液腐蝕試驗

模擬現場工況腐蝕環境：對4種型號的納米陶瓷涂層開展了高溫高壓模擬胺液腐蝕性測試。模擬條件：120℃、50%MDEA+50%水+4gNaCl（氯離子濃度4000ppm）；硫化氫0.15MPa、二氧化碳0.1Mpa、氮氣充壓至0.75MPa；10g鐵雜質；線速度大于1.5m/s，浸泡時間96h，試樣編號如表1所示，實驗結果如圖3所示。

圖3 模擬胺液浸泡96h后的納米陶瓷涂層形貌

經96h的高溫高壓模擬胺液腐蝕實驗，1#試樣涂層輕微變色，未出現起泡、起皺、脫落、腐蝕等情況，表面平整無破損，而2#，3#，4#試樣均出現鼓泡、破損及嚴重變色現象。

為確認1#試樣涂層內部腐蝕現象，分別通過宏觀觀察和采用掃描電鏡的能譜儀（EDS）觀察試樣涂層與金屬基體間的結合情況，宏觀形貌結果和微觀形貌結果如圖4、圖5所示。

圖4 模擬胺液腐蝕實驗后1#涂層試樣截面宏觀形貌

圖5 模擬胺液腐蝕實驗后1#涂層試樣截面微觀形貌

經96h的高溫高壓模擬胺液腐蝕實驗后，1#涂層試樣截面無裂紋、無氣孔，與金屬基體結合良好；

（4）綜合力學性能試驗

為進一步明確納米陶瓷涂層對現場工況環境的適應性，通過對4種型號的納米陶瓷涂層開展物理機械性能的檢測和評估，主要包含：涂層的耐磨損、鉛筆硬度、洛氏硬度、抗拉拔斷裂強度、線膨脹系數、耐沖擊性能及附著力的測試。

納米陶瓷內襯耐磨性研究

耐磨性能對比實驗，按GB/T1768-2006《色漆和清漆-耐磨性的測定-旋轉橡膠砂輪法》中規定的方法，進行操作。測試結果如表2所示，試驗后表面形貌如圖6所示。

表2 耐磨抗腐蝕納米陶瓷涂層耐磨性測試結果

綜合對比納米陶瓷涂層耐酸堿介質性能、耐磨性能測試結果得出，NC-ARC-01型耐磨抗腐蝕納米陶瓷涂層具有更優異的耐磨、防腐性能，可有效應對現場腐蝕工況，分析原因為：

（1）納米陶瓷填料的加入，提高了涂層的耐磨損性能，合適的添加量、填料顆粒的大小及級配關系均對耐磨性起到了至關作用。小顆粒均勻填充在大顆粒之間的空隙中，增加了復合材料的表面積，在表面上單位面積內裸露的膠體則相對減少，導致磨料的切削作用由更多的陶瓷填料顆粒來承受，大小顆粒間呈現如齒輪般的結合效應，相鄰顆粒牽制，進一步提高涂層的耐磨性能；

（2）固化劑的加入，使樹脂交聯成三維網狀結構，為陶瓷填料顆粒起到骨架支撐作用，使得鑲嵌在其中的納米顆粒不易脫離，在磨料的作用下失重減少。

納米陶瓷內襯硬度研究

依據GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》及GB/T 1818-1994《金屬表面洛氏硬度試驗方法》中規定的方法，對1#試樣涂層的鉛筆硬度和洛氏硬度進行測試，鉛筆硬度采用鉛筆法進行測試，通過在涂層上推壓已知硬度標號的鉛筆來測定涂層的硬度。洛氏硬度采用型號為HRS-150T的洛氏硬度計測試，測試結果如圖7、表3所示。

圖7 NC-ARC-01納米陶瓷涂層鉛筆硬度測試結果

表3 NC-ARC-01納米陶瓷涂層洛氏硬度測試結果

綜上：NC-ARC-01納米陶瓷涂層的硬度較高，鉛筆硬度可達6H。洛氏硬度三組數值均大于80HR。滿足項目技術指標中關于涂層硬度的要求。

納米陶瓷內襯抗拉拔斷裂強度研究

依據GB/T 5210-2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗 標準》中規定的方法對涂層的抗拉拔斷裂強度進行測試，采用拉拔試驗機進行測試，測試過程及結果如圖8所示。

圖8 NC-ARC-01納米陶瓷涂層抗拉拔斷裂強度測試結果

從結果來看，NC-ARC-01納米陶瓷涂層的抗拉拔斷裂強度平均可達10.7MPa，滿足設計要求。

納米陶瓷內襯線膨脹系數研究

依據GB/T 1036-2008《塑料 -30°C～30°C線膨脹系數的測定 石英膨脹計法》中規定的方法對涂層的線膨脹系數進行測試，采用熱膨脹儀進行測試，測試過程及結果如表5所示。

表5 NC-ARC-01納米陶瓷涂層線膨脹系數測試結果

從結果來看，NC-ARC-01納米陶瓷涂層的線性膨脹系數平均為3.8×10-7/℃，滿足設計要求。

納米陶瓷內襯附著力研究

依據GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》、GB/T 1720-89《漆膜附著力測定法》中規定的方法對涂層的附著力進行測試，采用涂層劃格器及劃圈測試儀進行測試，測試結果如圖9、圖10所示。

圖9 NC-ARC-01納米陶瓷涂層劃格法附著力測試結果

圖10 NC-ARC-01納米陶瓷涂層劃圈法附著力測試結果

從結果來看，NC-ARC-01納米陶瓷涂層的劃格法附著力測試結果為0級，劃圈法附著力測試結果為1級，滿足設計要求。

納米陶瓷內襯耐沖擊性能研究

依據SY/T 0442-2010《鋼質管道熔結環氧粉末內防腐層技術標準》附錄F中規定的方法對涂層的耐沖擊性能進行測試，采用涂層沖擊試驗儀進行測試，測試過程及結果如圖11所示。

圖11 NC-ARC-01納米陶瓷涂層耐沖擊測試結果

從結果來看，NC-ARC-01納米陶瓷涂層可耐8J沖擊無裂紋、無漏點，滿足設計要求。

2 結語

（1）管道內襯增加納米陶瓷涂層后，設備的耐高溫、耐磨蝕、抗高溫氧化等性能顯著提高；

（2）通過對不同型號的納米陶瓷涂層進行耐酸性試驗、耐堿性試驗、胺腐蝕試驗及綜合力學性能試驗分析得出：NC-ARC-01型納米陶瓷涂層為最優高含硫凈化裝置管道納米陶瓷材料組分；

（3）研制的陶瓷內襯彎頭樣件自2020年3月安裝至今，一直平穩運行，初步證明內襯材料對管道起到了良好的耐磨、防腐效果，可以較好的解決高含硫工況下管道內壁的沖刷腐蝕問題，降低管網維護、材料、運營成本，保障了裝置的安全平穩運行。