某鈾礦山離子交換塔防腐襯里選材研究

王振北，王 庫，王向榮

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

在中國鈾水冶行業中，根據不同的腐蝕環境，化工設備的非金屬襯里材料多種多樣，有襯陶瓷、襯高分子塑料、襯玻璃鋼等[1]。非金屬襯里既能解決介質腐蝕問題，也可大幅節約設備制造成本；但隨著使用時間的延長，襯里腐蝕老化行為凸顯，嚴重者甚至影響正常生產。

某地浸鈾礦山服役的離子交換塔，其襯里材料為聚烯烴(Polyolefine，以下簡稱PO)[2-3]，運行不到一年即發生襯里局部脫襯、磨損變薄、被腐蝕穿孔等現象，進而導致設備被腐蝕失效，多塔停止運行。為此，基于該離子交換塔介質成分，選取不同材料的襯里進行腐蝕試驗，選出適用于該礦山離子交換塔的襯里材料，為設備的長期良好運行和礦山的正常生產提供保障。

綜合考慮施工、造價和耐腐蝕性能等因素，選取PO、環氧玻璃鋼(型號為E44)、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001等5種材料進行試驗。參考《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》(JB/T 7901—1999)[4]，依據《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》(GB/T 5210—2006)[5-6]、《色漆和清漆 耐磨性的測定 旋轉橡膠砂輪法》(GB/T 1768—2006)[7-8]、《色漆和清漆 涂層老化的評價 缺陷的數量和大小以及外觀均勻變化程度的標識》(GB/T 30789—2015)[9-10]，進行試板腐蝕試驗，通過對比腐蝕試驗前后材料的附著力大小、耐磨性和老化程度等，對5種材料進行研究，選出最優襯里材料。

1 試驗部分

環境溫度為23 ℃，相對濕度為50%。

試板：1)未經腐蝕的鋼襯PO、環氧玻璃鋼、玻璃鱗片、ANTO1001、ANTO6001試板若干塊；2)腐蝕后的鋼襯PO、環氧玻璃鋼、玻璃鱗片、ANTO1001、ANTO6001試板若干塊(來自1.1試驗)。上述兩組試板的基材均用120目的砂紙進行手工打磨處理后再進行襯里，試板均來自同一廠家、同一批次，尺寸均為100 mm×100 mm，襯里厚度均為3 mm。

1.1 試板腐蝕試驗

將以PO、環氧玻璃鋼、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001材料為襯里的試板浸泡在試驗介質中，模擬離子交換塔內部腐蝕條件，研究5種材料在介質中的腐蝕行為。

1.1.1 試驗條件

生產中，離子交換塔內溫度約為20～25 ℃；塔內介質主要為100～120 g/L的硫酸，并含微量氯離子。為取得較明顯的試驗效果，確定試板腐蝕試驗條件：試驗溫度為23 ℃；試驗介質為含有硫酸和氯離子的溶液，其中硫酸質量濃度為200 g/L，氯離子質量濃度為1 g/L。

主要試驗設備有恒溫箱和電子稱。試驗材料主要包括掛片試板、無水乙醇以及試驗介質。

1.1.2 試驗方法

根據試驗條件用無水乙醇對試板進行除油、除水，待干燥后，稱量各試板質量并記錄；然后將試板按材料分別固定在不同的支架上，各試板間留有一定間距；將固定好試板的支架放入恒溫箱中，加入試驗介質，使試驗介質液面超出試板30 mm，靜置90 d。試驗期間每7 d更換1次溶液，試板不做處理；試驗結束后，取出試板，用無水乙醇除油、除水并干燥后稱重，觀察試板形貌變化，備用。

1.2 附著力試驗

1.2.1 試驗設備及材料

試驗設備為萬能材料試驗機。隨機選取腐蝕后和未經腐蝕的每種材料試板各6塊。

1.2.2 試驗方法

對試板進行拉開法附著力試驗。

使用單試柱法，將直徑為20 mm的試柱用AB膠黏結在試板表面，固化后圍繞試柱將試板切割至底材，然后將試板固定在試驗機上，施加拉伸應力，該應力以0.8 MPa/s的速度穩步增加，直至襯里或試柱被破壞，記錄破壞力并計算破壞強度。破壞強度的計算公式為

σ=F/A，

(1)

式中：σ—破壞強度，MPa；F—破壞力，N；A—試柱面積，mm2。

1.3 耐磨性試驗

1.3.1 試驗設備及材料

主要試驗設備：泰伯耐磨儀；砝碼；天平(精度0.1 mg)。

1.3.2 試驗方法

對試板進行旋轉橡膠砂輪法耐磨試驗，隨機選取腐蝕后和未經腐蝕的每種材料試板各3塊。試驗壓力負載為1 000 g，砂輪型號為CS-10，運行轉速為60 r/min，運行轉數為1 000 r。分別記錄試驗前后各塊試板的質量。

1.4 老化評定

隨機選取腐蝕后和未經腐蝕的每種材料試板各3塊，對試板進行老化評定試驗。應用目測法進行起泡、生銹、開裂和剝落等級評定；應用膠帶法進行粉化等級評定[9]。

2 試驗結果與分析

2.1 試板腐蝕前后外觀形貌變化

腐蝕試驗前后，襯PO和襯ANTO1001的試板外觀未發生明顯變化；其余3種材料試板的形貌變化如圖1～6所示?？梢钥闯觯阂r環氧玻璃鋼的所有試板的內部基材完全被腐蝕(圖1、圖4)，且表面由淺黃色變為暗紅色，顏色的變化是因為內部金屬基材被滲入的介質腐蝕產生了氧化鐵；有2塊襯環氧玻璃鱗片試板的表面和邊緣出現開裂(圖2、圖5)，導致內部基材被腐蝕，其余4塊的一角有開裂現象，說明在介質作用下，環氧玻璃鱗片易出現裂紋；6塊襯ANTO6001的試板內部基材被完全腐蝕，且襯里在棱角部位完全斷裂，出現“兩張皮”現象(圖3、圖6)，說明ANTO6001材料在局部曲率變化較大的部位易產生開裂。

圖1 襯環氧玻璃鋼試板腐蝕前后形貌變化

圖2 襯環氧玻璃鱗片試板腐蝕前后形貌變化

圖3 襯聚氨酯涂料ANTO6001試板腐蝕前后形貌變化

圖4 襯環氧玻璃鋼試板基材被腐蝕情況

圖5 襯環氧玻璃鱗片試板被腐蝕情況

圖6 襯ANTO6001試板基材被腐蝕情況

通過試板腐蝕試驗可以得出：PO和ANTO1001材料的耐腐蝕性能最好；ANTO6001材料可耐介質腐蝕，但在局部拐角處易斷裂，給襯里施工帶來一定難度；環氧玻璃鋼和玻璃鱗片材料的耐腐蝕性能差，易被介質滲透造成基材被腐蝕，從而導致設備被腐蝕失效。

2.2 試板腐蝕前后附著力變化

試板腐蝕前后附著力試驗結果見表1。由于襯環氧玻璃鋼和襯ANTO6001試板內部基材被完全腐蝕，因此未進行襯環氧玻璃鋼和襯ANTO6001試板腐蝕后的附著力試驗。由表1可看出，未經腐蝕的試板襯里的附著力從大到小依次為襯ANTO1001、襯ANTO6001、襯環氧玻璃鋼、襯玻璃鱗片、襯PO；腐蝕后襯里的附著力從大到小依次為襯ANTO1001、襯PO、襯玻璃鱗片。襯玻璃鱗片的破壞類型為涂層的內聚破壞，而其余4種材料的破壞類型均為涂層與膠黏劑間的附著破壞[5]。襯PO與襯ANTO1001腐蝕后破壞強度增大，可能是由于溶脹作用使得材料密度增加，進而增強了與膠黏劑之間的黏接強度導致破壞增強。襯玻璃鱗片腐蝕后破壞強度降低，與其破壞類型有關，說明其材料內部可能存在高分子鏈的斷裂行為。綜上所述，5種襯里材料中，ANTO1001的附著性能最好。

表1 腐蝕前后襯里附著力對比

2.3 試板腐蝕前后耐磨性變化

考慮到不同材料的密度不同，試驗中將其磨耗量折算為體積磨損。5種襯里材料腐蝕前后的耐磨性試驗結果見表2?？梢钥闯?，腐蝕試驗后，環氧玻璃鋼的耐磨性明顯降低；而其余4種材料的耐磨性有不同程度提高，說明材料表面可能發生了溶脹。結合腐蝕后試板的形貌變化可以得出，環氧玻璃鋼被腐蝕情況最為嚴重，ANTO1001腐蝕試驗前后的耐磨性均為最佳。

表2 腐蝕前后襯里耐磨性對比

2.4 試板老化行為對比

腐蝕試驗后，5種襯里材料的老化行為見表3?？梢钥闯?，5種材料未發生明顯的起泡、剝落和粉化現象；但襯環氧玻璃鋼的試板發生了嚴重的生銹，襯玻璃鱗片的試板發生了不同程度的開裂現象。PO、ANTO1001和ANTO6001材料的抗老化性能基本滿足要求。

表3 腐蝕后襯里材料的老化行為評定

3 ANTO1001材料耐腐蝕性驗證

通過上述試驗，得出ANTO1001的耐介質腐蝕性能最優。為進一步驗證材料的耐腐蝕性，將ANTO1001應用于實際生產環境下進行試驗。由于離子交換塔原襯PO材料的清除難度大，因此將ANTO1001材料涂刷于原PO襯里之上，先后進行了實驗室和生產現場驗證試驗。

3.1 實驗室驗證

3.1.1 附著力驗證

附著力測試內容與1.2相同，在襯PO試板上涂刷ANTO1001材料后進行試驗。測量得出，ANTO1001在PO上的附著力達到了2.25 MPa，大于PO在鋼板上的附著力(1.40 MPa)，因此ANTO1001涂刷在PO基礎上，使得PO更加不易脫襯。

3.1.2 局部耐腐蝕驗證

考慮到2種材料的交界處易發生介質滲入而產生ANTO1001與PO脫襯，試驗驗證了襯PO層局部涂刷ANTO1001材料的耐腐蝕情況，腐蝕試驗前后試板形貌如圖7所示?？梢钥闯?，腐蝕試驗前后試板表面未發生明顯變化，且在2種材料交界處未發生脫襯現象。

圖7 鋼襯PO基礎上局部涂刷ANTO1001

3.2 生產現場驗證

將一段新管件首先襯PO，然后在PO基礎上涂刷ANTO1001涂料，并在法蘭處做翻邊處理；然后將管件安裝在離子交換塔底部出料管路上進行測試。

離子交換塔正常運行1年后，將管件拆卸，管件受介質腐蝕情況如圖10所示?？梢钥闯?，除了法蘭翻邊處有局部脫襯外，ANTO1001涂料整體耐腐蝕效果較好，這進一步驗證了ANTO1001涂料的優異性能。

圖8 鋼襯PO管件涂刷ANTO1001

4 結論

PO、環氧玻璃鋼、玻璃鱗片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001在腐蝕試驗前后的附著力變化不明顯，腐蝕前后耐磨性除環氧玻璃鋼外均有所提高。ANTO1001涂料的耐腐蝕性能、附著力性能、耐磨性以及抗老化性最優；PO材料的附著力和耐磨性欠佳，是造成離子交換塔襯里脫落、腐蝕穿孔的原因。環氧玻璃鋼材料容易被介質滲透，造成嚴重腐蝕。玻璃鱗片和ANTO6001在曲率小的局部易產生開裂，進而造成基材腐蝕。

通過實驗室和生產現場試驗，驗證了ANTO1001涂料的耐腐蝕性能較好，研究結果為離子交換塔防腐選材提供了方向。