LNG接收站碳钢螺栓的腐蚀及防护

2020-06-27中海油石化工程有限公司济南250101

化工设计 2020年3期

秦冉中海油石化工程有限公司济南 250101

LNG接收站大都位于沿海地区，处于高湿度、高盐的海洋大气环境中。参照ISO12944-2规范，高含盐度的沿海和海上区域属于较高的腐蚀环境，分级归为C5类。而LNG接收站中天然气管道和公用工程管道用到大量的碳钢螺栓，在这种环境中普通的碳钢螺栓很快会产生腐蚀，螺栓腐蚀产物膨胀，螺纹咬合在一起，检修时很难将螺母拧动，只能用气割切断，费工费时又费钱，而且随着时间延长，当一根腐蚀严重的螺栓强度不能承受分担的压力时发生断裂，它所承担的压力分担到其他螺栓上，极易引起腐蚀螺栓连锁断裂，引发法兰泄漏，造成不可预估的经济损失和人身伤害。为避免上述情况的发生，有效防止碳钢螺栓腐蚀，首先要了解碳钢螺栓在LNG接收站中腐蚀加剧的原因。

1 碳钢螺栓在LNG接收站中的腐蚀加剧的原因

大气中含有水和氧气，在碳钢螺栓表面形成一层含氧的薄电解液膜，膜中的氧作为去极化剂去腐蚀碳钢螺栓，这属于一种电化学腐蚀。LNG接收站处于沿海地区，由于海水的蒸发，水和盐分扩散到大气中形成高湿、高盐的海洋大气环境。这种环境下的碳钢螺栓，表面水膜加厚，更多的氧气通过水膜到达螺栓表面，而且水膜中还含有海水扩散到大气中的盐，水膜变成腐蚀性很强的电解液膜，加速了碳钢螺栓表面的腐蚀。所以分析其原因是碳钢螺栓表面形成的强腐蚀性水膜加剧其腐蚀。

2 碳钢螺栓防腐措施

防止碳钢螺栓的腐蚀，根源就是防止构成原电池反应环境，消除电化学腐蚀。针对螺栓，由于其带螺纹的特殊性和经常操作性，其防腐措施还要求不能影响螺纹的正常操作。这就要求防腐措施既要满足力学性能要求，又要满足工艺性能要求和环境适应性要求[1]。力学性能要求是基本要求，防腐措施不能改变螺栓本体的化学成分和力学性能；工艺性能要求包括对涂层厚度、旋合性能、耐腐蚀性、结合强度、耐磨性和硬度等要求；环境适应性要求是防腐措施满足对各种恶劣环境的防腐要求。当前针对螺栓主要采用表面涂层技术对其进行腐蚀防护，另外，在不常检修的地方可以采用包覆防腐措施。针对LNG接收站特点，下面介绍几种常用的碳钢螺栓防腐措施。

2.1 碳钢螺栓涂层防腐措施

针对碳钢螺栓，涂层防腐措施比较多，比如粉末渗锌技术、达克罗涂层技术、电镀锌技术、氟碳涂层技术、特氟龙涂层技术、复合涂覆层技术等措施，在LNG接收站中，即海洋大气环境中，涂层防腐措施常采用粉末渗锌技术、特氟龙涂层技术和复合涂覆层技术。

(1)粉末渗锌技术：是一种化学热处理工艺，采用原子渗透扩散原理，把渗锌剂和钢铁件一起加热到一定温度，活性锌由金属表面向内部渗透，铁原子向外部扩散，在金属表面形成一个均匀的渗锌层。这种技术工艺成熟，基本无污染。经过渗锌的螺栓其机械性能不会有大变化，其涂层厚度均匀且可以准确控制，硬度高且耐磨。渗锌层与基体金属的结合强度高，且在热处理工程中碳钢中的氢原子已扩散逸出，不会出现氢脆的危害。理论上因为渗锌层是锌铁金属化合物，电位低于铁而高于锌，作为阳极牺牲防护，能保护基材碳钢不被腐蚀，也不像纯锌那样消耗太快，所以渗锌层有很强的抗腐蚀能力。而且罗长虹[2]等的试验证明：在湿度高、盐度高的海洋大气环境中，渗锌层可以实现对碳钢螺栓的防护。基于粉末渗锌这些优点，LNG接收站中的碳钢螺栓可采用这种防腐措施，在某LNG接收站公用工程管道上的碳钢螺栓就是采用的这种防腐措施。但是这种渗锌螺栓不能用在不锈钢法兰上，它会腐蚀不锈钢法兰，所以要注意使用渗锌螺栓的具体场合。

(2)特氟龙涂层技术：是采用氟树脂静电喷涂工艺，经喷涂后基材表面形成涂层的技术。特氟龙涂层是以聚四氟乙烯为基体树脂的氟涂层。特氟龙涂层具有优良的耐热和耐低温特性、耐腐蚀性、滑动性和抗湿性等优点。尤其是其杰出的滑动性能，与大多数材质接触时都有很低的摩擦系数，特别适用于螺栓涂覆。特氟龙涂层有极强的疏水性，几乎不受任何介质腐蚀，可作为保护层隔绝腐蚀电解质膜与基材接触，保护碳钢螺栓在海洋大气环境中不被腐蚀。这种涂层螺栓可以用到各种金属材质的法兰上，不受法兰使用材质的限制。但是这种涂层容易在运输或施工中被破坏，影响其防腐效果。例如在南方某LNG接收站中采用特氟龙涂层技术作为防腐措施对碳钢螺栓进行防腐，现场发现个别涂层有破损的螺栓腐蚀严重。

(3)复合涂覆层技术：复合涂覆层是指不同的两种或两种以上的涂层复合组成的防护层。由于螺栓对涂层的厚度有明确限制，一般复合涂层只包含两种防腐涂层，以解决一种涂层在防腐方面的不足。两种涂层应该有很好的亲和性和融合性，其各自的防护性能优势互补。有机涂层和无机涂层各有优缺点，满足复合涂覆层要求。现在复合涂层种类多样，应针对LNG接收站对螺栓防腐性能的要求，选择合适的复合涂层。南方某LNG接收站中消防水管道碳钢螺栓采用的一种复合涂层：YFluo涂层。YFluo涂层由两种涂层组成，一种是金属表面特殊处理层，另一种是涂覆在表面处理层的氟聚合物涂层。氟聚合物涂层隔绝了电解质液膜与螺栓碳钢的接触，消除发生电化学腐蚀的机会，故能抵抗海洋大气的腐蚀。YFluo涂层具有优越的防腐蚀性能和耐磨性，由于涂层中含有PTFE或含二硫化钼润滑剂，在高负重情况下，涂层不易被破坏，还可提供稳定的扭矩参数。而且YFluo涂层含PTFE、树脂和特种防腐剂，完全不含铬的成分，其溶剂主要是水和醇类，加工过程中主要排放水和醇类，对环境没有不利的影响。这种复合涂层虽然比渗锌涂层和特氟龙涂层单一一种涂层防腐效果好，但是造价高。

2.2 碳钢螺栓包覆防腐措施

在LNG接收站中碳钢螺栓除了采用涂层防腐措施外，还有一种包覆防腐措施。包覆防腐是法兰、垫片和螺栓一起防腐的一种措施。包括以下两种类型：

(1)粘弹体防腐技术:是一种典型的包覆防腐措施，结构见图1。

图1 粘弹体防腐技术示例

粘弹体防腐技术的核心是粘弹体，粘弹体是一种高性能聚合物材料，是具有特殊粘结性的材料，在一定温度范围内，不会随意流淌、不会固化；一般在使用期内，一直保持这种状态，并保持良好的水密性和气密性。粘弹体中因内含祛水剂，故具有非常好的疏水性，排斥水分，水分几乎不可能穿过防腐层到达金属表面，所以可彻底杜绝水分侵入，真正抑制腐蚀环境的形成，从根源上断绝了腐蚀，达到防腐效果，适用于海洋大气等恶劣腐蚀环境[3]。粘弹体可直接用于不规则表面，无须特殊处理，简单方便。粘弹体具有液态的特性，在遭受石块等破坏时，具有自我修补的功能，即使外界环境变化，防腐胶带不会因为环境变化而龟裂或剥离，仍可以保持与金属表面的紧密贴合状态，几乎不影响密封性能。而且无阴极保护剥离现象、有良好的耐化学性、安全环保，无毒和无致癌物。包覆措施从根源上解决了腐蚀问题，防腐效果好。但是采取这种防腐措施的螺栓不方便拆卸，不方便检修，不太适合经常拆卸维修的地方。而且这种弹性体材料价格比较贵，一般用在重防腐和不经常维修的地方。

(2)另一种包覆措施是对表面进行处理，涂抹防腐剂或润滑脂，加装聚乙烯保护帽进行保护，加装完成后对边缘进行密封处理，防止水分进入，空间狭小的采用蜡磁带包覆防腐，结构见图2。