防腐层的种类

防腐层的种类防腐层材料范围非常广，从古老的生漆、 动物油和植物油、沥青和煤焦油到各种金属和金属化合物、 合成树脂以及混凝土、陶瓷和玻璃等， 这些材料都可以作为金属腐蚀的保护层。防腐层的形式也多种多样，有简单的油膜、 覆盖层，有复杂的复合结构防腐层、功能防腐层，有金属防腐层、非金属防腐层，有浸涂、淋涂、喷涂、电泳、电镀等多种涂装方法，有手工作业、机械作业方式之分， 甚至可以通过爆炸手段将一种金属板材熔合到被保护金属表面上，形成高质量的金属防腐层。以下按照有机防腐层、无机防腐层和金属防腐层的区分进行介绍。随着石油工业、 化学工业的不断发展，传统的油漆已经衍化，以各种树脂为主体的有机防腐层的种类和功能不断发展，作为防腐层使用的有机防腐层被广泛应用于社会的各个方面，民用电器、车辆、桥梁、舰船、工具和机械、工厂设备和设施、石油钻采、海洋石油平台、城市给排水和燃气等公用设施、管道工业等等，有机防腐层是各领域最主要的防腐层。有机材料作为防腐层使用，通常需要具备以下几种性能。（ 1）电气和电化学性能有机防腐层应当有足够的绝缘性，能够在被保护金属的腐蚀回路中起到遏阻腐蚀电流的作用。有机防腐层的绝缘性有三项指标：体积电阻率、表面电阻率和绝缘电阻。但是，地下管道时常会遇到一些不明强电的影响，因此，一些防腐层还有电气强度性能上的要求，以防止防腐层被强电击穿。管道工业一般最低要求为：体积电阻率1 1010 m；表面电阻率1 1012 ；4 2；电气强度 20MV/m 。m 绝缘电阻 1 10m从理论上而言， 腐蚀介质渗透防腐层、接触被保护金属表面不可避免，防腐层的完整性受到破坏不可避免，因此，管道工业中防腐层保护需要和阴极保护相结合。在阴极保护中，离子结合产生碱， 防腐层将受到钢铁表面这些阴极沉积物的物理影响和碱性影响，在实际运行使用中， 表现为防腐层下生成小水泡，即电化学鼓泡。 此外，有些防腐层由于绝缘性特别强，剥离防腐层可能对阴极保护电流产生屏蔽作用，即剥离防腐层下的金属表面不能够得到保护而产生腐蚀。研究表明：剥离层下的腐蚀经常表现为坑蚀，有自加速特征，腐蚀环境呈酸性， 可能伴有析氢现象。 关于防腐层性质这方面的评价一般采用阴极剥离试验，管道工业的一般最低要求为：阴极剥离试验后，缺陷孔四周防腐层剥离的径向最大距离不超过12.5mm。（ 2）化学性能防腐层必须能够经受应用环境中各种化学腐蚀介质的侵蚀。从阴极保护反应区的酸碱性影响。 而更主要的原因是， 管道时常作为永久性的地下设施，设计寿命高达5060 年，管线沿途需要经过很多强腐蚀土壤环境区域，如盐碱地、 沼泽、 酸雨地区、淤泥地带和工业污染地区，防腐层必须具备耐酸、耐碱、耐盐，甚至耐石油溶剂和其他有机溶剂的性能，保证防腐层能够经受各种化学介质的侵蚀。通常，评价防腐层耐化学介质腐蚀的方法是采用某种、某些化学物质的溶液或混合溶液作为浸泡液， 将防腐层或带防腐层的金属试件放人，在一定试验温度下，经过一定时间的浸泡试验，观察防腐层的外观变化，如表面光泽、颜色等的变化，是否气泡、开裂、溶解、脱离或剥落。有时也检查防腐层黏结力的变化。（ 3）物理与力学性能有机防腐层的物理性质相差很大， 所以在满足管道防腐层应用的前提下， 不同防腐层的性能指标体系差别非常大。 很多时候， 在各个不同种类的防腐层标准之间比较同样的性能数值的高低没有什么实际意义， 如熔结环氧的黏结力比煤焦油瓷漆高很多， 不能说明煤焦油瓷漆不满足使用条件。管道有机防腐层一般有以下共同的性能要求：黏结力或附着力；硬度；抗冲击和（或）抗低温冲击；抗弯曲和（或）抗低温弯曲。这些指标能够反映防腐层在安装、运行中的表现， 是否能够降低防腐层在管道运输和安装时的损伤，是否能够经受土壤的物理作用。不同种类的防腐层有一些不同的特性指标：有蠕变性的防腐层，如沥青、 煤焦油瓷漆和玛蹄脂、聚乙烯和聚乙烯胶黏带，一般应测试软化点、压痕（和针入度）指标；环氧粉末防腐层的流平过程很短，所以标准规定， 应测试断面孔隙率；聚乙烯防腐层， 尤其是粉末涂料、低密度聚乙烯容易龟裂，故聚乙烯应测试耐环境开裂性能；收缩制品类防腐材料则需要测试径向和轴向的收缩率，以保证防腐层对管道的紧密包覆和结合；聚乙烯塑料类防腐材料一般都还要测试断裂伸长率和拉伸强度。上述防腐层性能在各个管道防腐层性能指标体系中均有明确的规定，不同防腐层的性能指标体系表明的是该防腐层性能的基本总体要求。目前，最主要的埋地管道防腐层均为有机防腐层，所以， 在后面的章节中还将对各种有机防腐层的性能进行详细介绍。无机防腐层的种类相对较少，主要是水泥浆和混凝土防腐层、陶瓷防腐层与搪瓷防腐层以及玻璃防腐层。（ 1）水泥砂浆和混凝土防腐层水泥（通常以混凝土的形式）可以用作管道的内外防腐。在城市公用设施中，给排水主管道内衬水泥砂浆是一种通用的钢管防腐方法，直径150mm 以下管道的衬里厚度一般为45mm ，直径 450mm 以上管道的衬里厚度一般为10mm，但新型水泥材料和新的衬里作业技术可以减小大口径管道的衬里厚度；在海底或河流等水下管道工程中，混凝土时常作为管道的配重层和外机械保护层，其厚度通常为525mm，必要时可以更厚。混凝土防腐层的性能指标主要有以下几项：抗压强度； 抗拉强度； 黏结强度； 弹性模量；吸水率；热膨胀系数。防腐层材料一般采用普通水泥，现在矿渣水泥的使用也非常普遍。一般概念认为水泥是耐碱的，因为除苛性碱以外的碱性介质对水泥的腐蚀性并不严重，要提高水泥的耐碱性能，需要采用高强度等级的水泥，或者在水泥中加入磨碎的石灰石、页岩等，改善水泥的致密性。但是，在耐酸性上，普通水泥表现很差，矿渣水泥要好一些，也很有限，因为水泥的基本组成物质中的铝酸三钙、铁铝酸四钙均容易和酸反应。另一个问题是防腐层中钢丝网或钢筋骨架的腐蚀。因为混凝土防腐层中存在大量孔隙，容许腐蚀介质通过并接触钢筋。水，尤其是氯化钠的存在，可以导致钢筋的快速腐蚀，钢筋锈蚀后体积增大23 倍，这样的应力将使混凝土产生顺筋裂缝。因此，水泥砂浆或混凝土防腐层的保护作用是有限的，内防腐层可以用来输送海水、井水、生活废水和非水介质（如油），饮用水等软水则会对水泥砂浆产生浸析作用。外防腐层可以在一般土壤中长期使用。要改善防腐层的性能，适应特定环境使用的需要，则需要专门的材料和配方。（ 2）陶瓷材料是由金属元素的化合物构成的，如氧化铝、氧化镁、二氧化锆等，陶瓷材料中可以包括砖、石料、粗陶瓷、瓷、混凝土、耐火材料和玻璃等。陶瓷与玻璃的不同之处在于后者是非晶态的玻璃质。传统上，陶瓷是指采用陶瓷材料、 采用陶瓷生产成型工艺制得的陶瓷制品。陶瓷耐高温，耐磨性非常好， 并可以制得耐各种强腐蚀介质的成品；另外， 现代涂装技术使陶瓷作为涂料使用成为可能， 所以陶瓷防腐层成为管道防腐层技术领域中的一个重要课题。陶瓷防腐层的制备方法主要包括下列几种。 自蔓延高温合成陶瓷自蔓延高温合成技术是利用放热化学化学使材料合成反应持续进行并得以完成的技术。陶瓷内衬复合钢管采用铝热反应使防腐层成型，分为自蔓延铝热-离心法与自蔓延铝热- 重力分离法。铝热-离心法引入了离心力，形成了金属-过渡层 -陶瓷层结构；铝热 -重力法则利用反应产物间密度的差异进行分离，形成金属-陶瓷双层结构。铝热法工艺简单、节约能源、成本低，但防腐层较厚，只能作管道内防腐层。 热喷涂陶瓷热喷涂一般是将涂料或线材加热至熔体状态，并利用动力将熔体雾化或把熔体微粒喷射到被保护基体表面形成防腐层的工艺方法。可利用的加热技术很多，形成了氧 -乙炔火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂等方法。这些方法可以将许多金属、无机物等高熔点材料进行涂装。陶瓷防腐层的制备应用较多的是等离子喷涂。为了提高等离子涂装防腐层的致密性和黏结力，低压等离子喷涂技术又被开发出来。这项技术采用了真空，喷涂和工件均置于真空室内，真空度达到20Pa（ 0.2mBar）后，开始喷涂，并维持工作压力在50007000Pa（ 5070 mBar ）之间。这样，等离子火焰长度可达到400500mm ，延长了陶瓷涂料被加热的时间，同时喷射速度高，涂料和工件的结合力增强。等离子喷涂法的开发和应用有40 多年的历史，这项技术应用于喷涂陶瓷防腐层，得到的陶瓷防腐层性能更好，一般使用于专门工件， 低压等离子喷涂则应用于更特殊的使用目的。 火焰热解喷涂这项技术不采用常规的陶瓷粉末，陶瓷金属氧化物中的金属元素以盐化合物的形式溶解于乙醇中，乙醇溶液雾化、燃烧，盐化合物转化为金属氧化物，得到陶瓷防腐层。如 Al(NO 3)3 和 Y(NO 3)3 按一定比例配制成乙醇溶液，能够得到Al 2O3-Y 2O3 陶瓷防腐层。 然而，该新技术虽然方法简单，但防腐层的致密性较差， 质地疏松， 存在大量微孔。陶瓷防腐层耐高温， 硬度极高， 耐磨性非常好，是一种高耐蚀防腐层，但陶瓷防腐层耐冲击性能较差，经受不住磕碰，不适合作通常意义上的埋地管线工程的钢管预制外防腐层，同时用陶瓷作补口防腐极为困难。因此，陶瓷防腐层一般仅用作化工或特殊环境的工艺管道和工艺设备的内防腐，很少用作外防腐， 防腐层钢管或设备之间往往采用机械连接。陶瓷防腐层对热冲击敏感，也不能应用于温度突变的化工装备。（ 3）搪瓷防腐层与玻璃防腐层搪瓷是将瓷釉涂布到金属表面，再进行 “搪烧” 而得到的一种与金属紧密结合的玻璃状瓷层的技术。 瓷层或称瓷釉层， 是由晶体颗粒与玻璃质黏结在一起而构成的，以玻璃材料为主。纯粹以玻璃作为瓷层时，称为搪玻璃。搪瓷原料是一种组合物，常称为瓷釉， 瓷釉由经过水淬的瓷釉熔块加入辅助材料再经过球磨而制得， 有瓷釉粉与瓷釉浆之分。瓷釉层一般由底层釉和面层釉组成。底层釉一般由玻璃和瓷质组成， 具有微孔结构。 底釉的作用是连接金属基材与面层釉，并缓解陶瓷防腐层和金属间的应力作用。面层釉则为致密的、刚性的，陶瓷防腐层的耐蚀性基本由面层釉决定。搪瓷生产工艺包括金属表面处理，涂瓷釉浆，釉浆干燥， 然后进入炉窑焙烧，最后出炉冷却。传统搪瓷工艺技术完善，经济性较好， 并可以生产管道内外防腐层，国内西安人民搪瓷厂就引进有专门设备。但搪瓷对金属胎材有些局限，如钢材一般只能采用低碳钢，搪烧温度接近 900甚至更高， 可能影响某些钢材的金属结构。搪瓷防腐层耐高温， 耐磨， 表面光洁，质地致密， 是一种高耐蚀防腐层，调节面层釉的配方可以得到适用于各种强酸和所有强碱的防腐层。但搪瓷防腐层耐冲击性能差，受磕碰易损伤，在应用上和陶瓷防腐层比较相似。采用玻璃和 “搪烧” 的方法将玻璃层涂敷到金属基材上，可制得玻璃防腐层。玻璃防腐层具有和搪瓷防腐层相似的性能，耐碱，也有一定的耐酸性， 但性能差一些，玻璃防腐层更脆，耐热冲击能力更低。采用热喷涂技术制备搪瓷防腐层的技术简称“喷瓷”，该技术与传统 “搪瓷”方法相比，操作简单、自动化程度高、设备轻便，管道可以内外同时涂装，生产效率高，成本更低。防腐层材料以玻璃质为主，容易获得比陶瓷防腐层防腐性更优越的防腐层。将某些金属镀覆在另外一些金属上就构成了双层或复合系统。表面的金属层称为金属镀层，不同的金属镀层可以满足很多特定的腐蚀环境。根据镀层对基本金属是阳极性还是阴极性的，金属镀层被分为两种类型，对钢而言， 铝、锌或镉镀层是阳极性的，沿、铜、 锡、镍、铬、银和金属层是阴极性的。镀覆的方法有熔融镀、真空蒸镀、化学镀、电镀镀、喷镀、焊接镀和贴板法。而经常采用的金属防腐层是用热喷镀（涂）法镀覆的锌、铝及其合金镀层，最常用的方法是火焰镀和电弧喷镀，更复杂的技术是等离子喷镀、爆炸喷镀和超音速火焰喷涂。锌、铝及其合金镀层作为阳极金属，防腐层不完整部位裸露出的钢表面能够得到附近阳极金属的牺牲保护而免受腐蚀，直到阳极防腐层金属完全消耗为止；同时，这两种金属能够和空气中的腐蚀介质反应生成氧化物、碳酸盐和水合物，在防腐层表面形成一种保护层，使自身的消耗速率降低到能被接受的范围，为钢基体提供设计防腐层寿命期内的腐蚀保护。在实际使用时， 热喷涂金属防腐层表面还要用适当的材料对防腐层中的空隙进行封闭，如采用热固性树脂溶液进行表面涂覆。在国家标准中，采用热喷涂方式制得的金属防护层为涂层（GB 9793 、 GB 9795 ），而采用镀、浸方式得到的金属护层叫金属覆盖层（ GB 6461 、GB 9797 等）。我们将之统称为金属防腐层。喷铝防腐层能够得到比喷锌防腐层更好的粘接力，在海水中显示出很好的耐蚀性，更多地用在较强的腐蚀介质环境中。但喷锌防腐层在大气中也表现出了相当好的耐蚀性，因而在露天钢结构外防腐上得到大量应用。氧炔焰热喷涂锌铝合金是现场最常用的方法。（ 1）喷涂基本设备主要的设备包括压缩空气设备、氧炔系统和喷涂机具。 压缩空气压缩空气的作用是稳定地将金属丝送入喷枪，同时将喷嘴前熔融的金属雾化、喷射到基材表面。压缩空气系统包括的设备有空气压缩机、冷却器、滤清器和管路，以保证提供含水量、含油量足够低，气压稳定，符合使用要求的压缩空气。 氧气 -乙炔系统 这个系统包括氧气和乙炔，乙炔燃烧产生的热能使金属丝熔化。火焰的性质与防腐层质量和工效紧密相关，火焰的调节一般是通过调整氧气的流量来实现的。主要设备包括：瓶装乙炔、瓶装氧气、气压表、阀门和流量调节器、空气管路、回火防止器等安全装置。喷射系统 喷射系统的主要设备为气喷枪，喷枪装置将氧、乙炔和压缩空气汇集，产生氧炔焰，将金属丝熔化、雾化和喷射出来。（ 2）防腐层的性能锌、铝及其合金防腐层的主要性能特点为： 和钢表面的结合强度高。结合强度一般可以达到15Mpa ，有很好的耐冲击等力学性能； 耐腐蚀性能优良。在一般的自然环境中有很好的耐蚀性，且耐氯离子、硫化物的性能好； 抗老化。这类防腐层不存在有机防腐层的老化问题，只有腐蚀损耗。在实际质量控制时，这类金属防腐层通常要进行以下检验： 外观检查用肉眼观察， 防腐层表面应无异物、粗颗粒与凹凸不平，无气泡、 孔隙、裂纹和粉化现象。必要时，还采用25 倍左右的放大镜辅助观测。 厚度检测一般采用磁性测厚仪检测金属防腐层的厚度。由于施工作业通常都是手持喷枪进行喷涂，厚度一般允许在基准值上下偏差20%。 空隙检查一般采用普努士蓝反应进行漏点检测，漏点密度应符合工程要求。检测方法为：先清洁防腐层表面，干燥后，取经过10g/L 铁氰化钾和20g/L 氯化钠混合溶液浸泡的滤纸覆盖在防腐层表面，并不断往滤纸上涂刷或喷洒检测溶液，510min 后，查看滤纸上是否出现深蓝色斑点。出现蓝色斑点表明防腐层存在有穿透性孔隙。 粘接力检查一般采用小刀或其他利器刮削防腐层，以防腐层表面只产生刮痕、无防腐层剥落或脱落面积在规定之内为合格。前面已经提到，热喷涂金属防腐层一般会存在大量的气孔，需要用树脂溶液进行封闭，如环氧树脂、 聚氨酯和聚丙烯酸酯等，这样得到的防腐层其防腐寿命大大延长，大气环境中运行寿命可达30 年。金属锌、 铝及其合金的热喷涂防腐层经常用于石油化工生产贮罐的内外防腐，使用范围越来越广，但是，由于地下管线腐蚀与防护具有的特殊性，腐蚀条件更恶劣，条件更多变，配套阴极保护要求防腐层具有良好的绝缘性，使得这类防腐层很难成其为管道运输业的专门防腐层。