高分子化工材料在化工防腐中的应用研究

任小逆，张洪鑫

(郑州职业技术学院，河南 郑州 450121)

1 化工机械设备腐蚀原因探析[1，2]

1.1 内部原因

其一是金属晶体的密度越大，其耐腐蚀性能越好。 化工企业生产加工过程中，为降低设备遭受腐蚀概率， 已最大限度减少应用酸碱等易腐蚀溶液，但无法禁止使用酸碱溶液。 化工设备的结构设计并不科学， 主要原因是化工设备中很多部件都不能按严格要求焊接， 以及在实际生产中产生大量液体， 存在大量的裂纹和角点[3]。在裂缝和拐角处，不仅工人很难清洗，而且腐蚀和老化的部分也越来越多。 其二是化学设备的表面不光滑甚至粗糙， 这会增加液体对设备和部件的腐蚀。

1.2 外部原因

一般情况下化工设备所用材料大都为金属材质，因使用材质不同受到腐蚀程度也存在较大差异。 目前我国大部分化工企业为了达到经济效益最大化，选购设备时先考虑成本，再考虑材料。这也直接导致选用材料晶粒直径过大，抗化工腐蚀性差，使设备使用寿命变短，直接影响企业生产效率。

外因也是化学机械设备发生腐蚀的重要原因。 腐蚀性气体或溶液极易腐蚀机械设备，化学工业生产中， 许多机械设备运行在特殊环境中，酸、碱腐蚀严重。 气、液流动速度不同，对设备的腐蚀程度也不同[4]。

2 高分子材料耐腐蚀特性

高聚物材料最突出的特点是具备超强的耐腐蚀性能，我们充分利用这一特点，将此种材料应用于机械设备设计中。

使用高分子聚合材料制造的化工设备，其微观结构紧密（如图1 所示），计量罐、管道、阀门等不易发生渗漏，是化学制剂防腐的优质材料。 因高分子聚合材料具有化学惰性，可防止聚氯乙烯的主链受到化学损伤[5]。 一些设备遭到腐蚀破坏主要是因为微生物繁殖和侵蚀，而高分子材料不利于微生物繁殖，被腐蚀概率会大大降低。

图1 高分子聚合材料微观结构

经过化学处理后，材料表面会形成一层新型防腐蚀涂层，样品是S-148 芳香族(UP)不饱和聚酯树脂。 常温浸泡70%硫酸溶液0.5～1a 后，表面变黑。 除表面的黑化层外，发现内部无变化，仅表层起化学作用。 经红外光谱和X 射线光电子能谱分析，主链苯环上出现磺化反应。 将磺酸基团引入主链可提高表面结构的致密性，而新的磺酸基团则能抵抗硫酸的攻击，空间位阻效应则能保护设备主要结构，防止硫酸进一步渗入[6]。

3 腐蚀试验方法

多年来的研究与应用表明，静浸处理法基本符合实际。 本文设计的材料耐腐蚀试验主要是依据ASTNC581 和GB3857 标准， 从多角度出发全面评价高分子聚合材料的优越性：1）外观变化；2）介质外观变化；3)质量变化率；4）强度保持率(一般选择抗压强度)。

选择不同的温度进行试验：在0～50℃范围内进行常温试验，在50℃以上进行高温试验，记录在不同温度下试验材料被腐蚀情况，可较好地反映出材料在特定介质中的耐腐蚀性（如图2 和图3 所示）。

根据图2 和图3 可知： 在应用高分子化工材料前，在0～50℃范围内进行常温试验以及在50℃以上的高温试验中，试验样本腐蚀情况均较为严重。 在应用高分子化工材料后，试验样本腐蚀情况得到明显改善，即使试验温度超过50℃，其腐蚀面积也始终低于2cm2。

图2 0～50℃范围内的常温试验

图3 50℃以上的高温试验

4 耐腐蚀级别及其评价办法[7]

4.1 极抗腐蚀。 在温度高于50℃的条件下，聚合材料浸泡在腐蚀介质中长达144h， 其表面无颜色、 光泽等变化， 表面粗糙度不变， 强度大于90%，质量变化率小于0.5%的试件。

4.2 耐蚀性。 在设定标准温度下，高分子聚合材料表层颜色有明显变化，但材料表面的粗糙程度未出现明显的变化， 测试材料的耐磨性维持在85%左右。

4.3 机械设备耐蚀性。在4.1 条件下，试样的颜色会发生变化，试样的表面光泽度和粗糙度也会发生变化，但不会发生点蚀，强度保持率大于60%，质量变化率小于2%。

4.4 玻璃耐蚀性。 在实验条件温度设定在50℃的情况下，聚合材料浸泡在腐蚀介质中超过100h。材料表面有明显的腐蚀坑， 耐磨强度低于60%，质量变化率大于2%。

5 化工防腐蚀过程中高分子材料应用方式

5.1 涂层

它是一种常用的高分子防腐材料，用于需要防腐零件的涂装。 主要目标是将腐蚀介质与材料隔离，避免它们之间发生化学作用[8，9]。 大气防腐常用的介质不同于涂层材料，适用于强介质气相防腐或液体制剂防腐的喷涂塑料，在强介质液相腐蚀中，可采用玻璃鳞片增强涂层、橡胶衬里和玻璃钢防腐涂层。

5.2 整体防腐

各类耐腐蚀设备全部采用高分子材料代替金属材料，因其重量轻、运输方便而受到人们的青睐。 内衬FIFE 玻璃钢阀门、橡胶管、聚氯乙烯防腐蚀容器、复合铝塑管、玻璃钢储罐等。

5.3 垫圈

常见的含氟高分子材料制作各种防腐蚀垫圈。

5.4 调节化学介质质量分数

化学介质添加质量分数可直接影响化工设备的抗腐蚀程度，若化学介质加入不当可造成化工设备被严重腐蚀。 化工设备在最初设计时需要根据规定标准及规范进行设计，若在使用过程中接触到的腐蚀溶液的质量分数超出设计时所能承受的规定标准时，必然会导致化工设备遭到严重腐蚀。 如在化工生产过程中有化学介质加入，化工设备的抗腐蚀性严重降低，会对其使用寿命带来影响。 采用高分子材料作为化工设备主材时，也要关注硫化氢、氢氧化钠的配比，按最佳比例注入化学介质更利于增加化工设备的使用寿命；将高分子聚合材料防腐涂层涂于化工设备之后，要增加一步应力热处理，化学介质中的氢氧化钠含量按规定比例加入，严格控制设备运行温度，尽可能避免因化学介质加入不当而造成腐蚀破裂状况发生。

6 有效防腐层厚度设计

6.1 气相防腐

动态腐蚀与静态腐蚀是气相腐蚀过程中较为常见的两种类型，在两种不同腐蚀状态下要求防腐涂层达到的厚度也有明显差异。 发生气相腐蚀时， 腐蚀液体的浓度和气体渗透率都较低，在防腐涂层的保护作用下，化工设备可以达到防腐设计标准。

腐蚀介质处于流态条件下，聚合材料若处于高温状态，对材料耐腐蚀性能要求更高，要满足化工生产还需加强气相防腐，同时加涂抗腐蚀性能强的涂层，如特种防腐涂层、玻璃鳞片树脂涂层等等，加涂涂层的厚度最好大于1 mm。

6.2 液相防腐

化工生产中常用到存储液体设备有运输罐车、储罐、发酵罐等，而盛装的液体多为盐酸、硫酸、碱液、硝酸等，经过化工生产实际验证，强腐蚀性液体的运送可使用玻璃钢材质的储罐，储罐内部涂层可有效避免被液体腐蚀， 涂层厚度超过3 mm，液体更不容易发生渗漏的情况。

动液相腐蚀是指储存和使用动态介质中的动液相腐蚀设备或附件，如：管道、阀门、泵、反应器、容器等，不仅存在静态液相的腐蚀渗透，还存在腐蚀磨损的问题，而且维护条件十分恶劣。 目前，高分子材料制件与化工设备衬里的一体化解决了工作温度超过100℃就会出现工作液发生腐蚀的问题。

总之，随着化工行业的深入发展，对化工材料和设备防腐工作的关注也越来越多。 使用高分子材料， 在一定温度范围内具有良好的防腐性、耐无机酸、耐碱性。 所以，结合不同的腐蚀条件，选择不同材质的高分子材料，研究耐腐蚀高分子材料在高温下的应用环境，对于提高聚合物材料的社会适应性，促进其应用具有重要意义。