保温层下腐蚀防护的研究现状

吕晓亮、唐建群、巩建鸣、白小敏

南京工业大学机械与动力工程学院

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 前言

保温层下腐蚀 (corrosion under insulation，CUI) 是指外部被保温层覆盖的管道或设备，由于水分和腐蚀性物质的进入而发生的腐蚀现象。在管道或容器的外表面包裹保温层材料，一方面可以减少热量损失、维持操作系统的温度、节约能源，另一方面也可以阻止外界有害介质接触到管道或设备金属表面，提高其运行能力。

管道或设备的保温层下腐蚀，往往是在保温材料及外防护层 (通常为铝箔或不锈钢) 安装后的使用过程中，由于安装、操作、性能或外界因素造成外防护层的破损，在保温材料和基体金属间局部区域形成腐蚀环境，导致CUI的发生。对于没有施加涂层或处于腐蚀性工业气氛情况下的管道或设备表面，保温层下腐蚀会更加严重。研究表明，施加了保温结构的设备或管道，运行5年后发生保温层下腐蚀的概率将大幅上升，使用10年后的保温层60%都含有腐蚀性冷凝水，极大地提高了CUI发生的概率。

由于外层不锈钢或铝箔以及保温材料的存在，使得CUI具有较强的隐蔽性且难以检测，往往很难在第一时间察觉，容易引起突发的严重泄漏事故。统计显示，在石油化工行业中，超过60%的管道故障是由CUI引发的。每年全球由于CUI引发设备和管道发生故障导致的危险产品泄漏、设备非正常停车甚至人员伤亡等一系列严重问题所造成的损失高达数十亿美元。

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CUI的发生机理

对于CUI的发生机理，Kane等和Norsworthy等认为水分是发生CUI的最根本原因。Frank等则认为保温层与管道基体表面的温差是CUI速率的决定因素，在热循环下，随着水分重复地聚集和蒸发，使得保温材料和基体金属间的电解液浓度越来越大，腐蚀速率不断提高。多数研究者认为，CUI发生的原因是由于水、水中的杂质以及温度的共同作用。

系统泄漏或保温层的破损等会导致水分渗入保温层使其变潮湿，保温层内外的温差会使水汽冷凝在金属基体表面，形成局部液体聚集。同时，雨水或保温层中有害介质的溶解聚集会形成电解质溶液，特别是局部酸性环境的形成，会加速潮湿环境中设备管道的腐蚀和过早失效。而且此时保温层导热系数会增大，使保温节能效果降低，也会加速CUI进程。CUI常见的腐蚀物以氯化物和硫酸盐为主。

大量工程案例和研究表明，碳钢和低合金钢在保温层下的腐蚀常表现为均匀腐蚀和点蚀，而奥氏体不锈钢则多发生外应力腐蚀开裂和点蚀。最容易发生CUI的温度范围是-4~175 ℃，在达到水的沸点之前，温度每提高15~20 ℃，腐蚀速率就会加倍。

而周期性的温度变化，会使设备或管道长期处于干湿及冷热交替的条件下，导致腐蚀介质的浓缩和聚积，增强该区域的腐蚀性，加快腐蚀速率，导致CUI频繁发生。在碱性环境下，碳钢和低合金钢的腐蚀速率最低，但氯化物会引起点蚀的发生；而在酸性环境下，S和N的氧化物很容易引发外应力腐蚀开裂，导致安全事故的发生。

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CUI的防护

CUI的高危害性引起了研究者的广泛关注，1985年颁布了ASTM STP880；1998年NACE出版了NACE RP0198-1998 (2004年修订)；2007年ASTM颁布了G189-07；2008年欧洲腐蚀联盟(EFC) 对CUI进行了全面介绍，同时也对近期的研究进展进行了总结说明，具有非常高的实用价值。

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保温材料外防护层

外防护层是包裹在保温层外，防护CUI的第一道屏障，目的是保护保温层系统免于受到机械或气候伤害，阻止或减少外部水分或腐蚀介质的进入和驻留。对于外防护层的选择需要考虑经济成本、实用性、设备或管道的复杂程度以及基体的工况温度等因素。外防护层常分为金属和非金属，常用的金属材料有镀铝钢、镀铝锌钢、铝和不锈钢，金属防护层对外界的机械损伤抵抗力弱，因此常通过增加厚度来提高抵抗力，此时的抗腐蚀性能相对较高。常用的非金属防护层有紫外线固化型的玻璃纤维增强塑料、热塑性塑料和聚合物等，非金属防护层具有更好的密封性能和更低的成本，但非金属防护层由于较低的熔点且抗机械损伤能力弱等因素使其应用受到一定的限制。

外防护层由于很容易受到气候、化学腐蚀以及机械的伤害，因此，需要经常性地进行维护。实践证明，将铝箔用作CUI的外防护层，不仅可以作为屏障阻止腐蚀介质接触金属表面，而且还能对金属起阴极保护作用，其导热性优于一般不锈钢材料，可以有效防止保温层结构下奥氏体不锈钢外应力腐蚀开裂。

3.2

正确选择保温材料

保温材料是对容器和管道进行隔热保温的重要组成部分，是包裹在管道或设备外面的第二道屏障。合理地设计和安装高质量的保温材料以及正确的维护可以有效地提高对CUI的防护效率。

保温材料分为疏水性和亲水性，疏水性保温材料按原理又分为自身疏水 (泡沫玻璃) 和加入化学添加剂疏水 (如WRG岩棉、Pyrogel XT等)；而常用的亲水性材料有岩棉、硅酸钙等。CUI是金属长期暴露于潮湿环境中的产物，因此，贮存水分最少并且干燥速率最快的保温材料可以有效地减少CUI带来的伤害。研究表明，在CUI的温度范围内 (-4~175℃)，吸水性材料会加速CUI速率，而疏水性材料则可以抑制CUI速率，但疏水性材料的实际工程应用并不广泛，一方面是由于其价格比亲水性材料高很多，另一方面是缺少不同保温材料间系统的对比数据 (尽管已有工厂使用疏水性材料，并有效地减缓了CUI，但是鉴于各个工厂的保温材料的数据多是与工厂的实际工况及设备紧密联系在一起的，故不能隔离开来作为单独的实验数据)，这使得高效的疏水性保温....