节能防腐钛纳米涂层管束应用与涂装
内容提要：该文介绍了炼油厂油汽冷却器管束的腐蚀情况。描述了部分油汽冷却器管束采用7910涂料防腐的效果，特别对管束外壁涂层不耐油汽腐蚀进行了说明。采用钛纳米涂料管束的依据及使用该管束可以获得较大的经济效益。重点对管束防腐涂装的施工工艺及技术要求、施工过程、涂层维护、安全防护过程进行了介绍。
关 键 词：油汽冷却器管束 7910涂料层管束使用 钛纳米涂层管束 防腐 节能 管束涂装
1、炼油厂冷换设备的腐蚀状况 炼油厂多以来，针对冷换设备的腐蚀，在不同的腐蚀环境中，采用不同的防护方法，经过多年的努力，取得了一些明显的效果和经济效益【1】【2】【3】【4】。但是，冷却器与冷凝器管束外壁耐油气的腐蚀问题到目前没有得到根治。由于冷却器管束的腐蚀与结垢，多数管束提前报废更新（一般使用寿命3年左右）。据不完全统计平均每年更新约25～30台。造成经济损失近200多万元。为了解决冷却器管束外壁腐蚀问题，曾采用7910涂料防腐层，防腐效果均不理想，没有从根本上解决问题。2、冷却器碳钢管束与7910涂层管束使用情况 在炼油装置生产操作中，冷换设备系统中冷却器管束，因管程多数走循环水，当水与温度较高的介质换热时，极易使管子内壁结垢形成垢层【5】。而壳层多数走轻质（油气）油品，由于轻质油品中的有害杂质存在，造成管束外壁腐蚀，当腐蚀的同时产生大量的锈垢层。由于管束内、外壁存在锈垢层增加了热阻。不仅使管束的使用寿命降低而且造成换热效率下降。一般新碳钢冷却器管束没有采取防腐措施，使用不到一年即发生管子腐蚀穿孔。 虽然有的管束内外壁采用了7910（环氧胺基涂料）涂料防腐，管内没有腐蚀，但是管外壁同样腐蚀严重。例如一套初顶冷凝器，管束材质为10＃碳钢。使用3年多有相当一部分腐蚀穿孔，没有腐蚀坑的年平均减薄为1.2毫米，管子内外壁防腐层破损，存在不均匀腐蚀坑与锈垢层。炼油厂使用的7910换热器涂料有20多年的历史，确实在解决水冷管束内壁防腐起到了一定作用。从导热系数看，钛纳米聚合物涂料涂层的为2.9W／m·k，而7910涂料的涂层的导热系数为1W／m·k 。从这可以看出涂层的导热系数，前者涂层是后者涂层的2.9倍。3、采用钛纳米涂料管束的依据 开发换热器用常温固化耐热防腐涂料，换热器需要耐热、导热效率高的防腐涂层，是比较理想的防腐涂料。目前使用的环氧氨基涂料（7910涂料）等需在120℃固化，并需多道涂装。开发可常温固化，而且施工方便的涂料，是至今尚未完全解决的问题。其关键是要在涂料的防腐性能、传热性能和可施工性三者之间求得最佳平衡点。而钛纳米聚合物涂料具备这三者之间较好的平衡点。 我们在炼油厂进行了硫磺装置酸性水罐现场几种挂片试验【6】以及采用一套常减压初顶汽油进行实验室试验。 从现场与实验室试验可以看出该防腐涂层适合在常减压初顶汽油冷却器上使用。其特点为：钛纳米聚合物涂料就是将钛超细化达到纳米级，使其表面活性大大提高。同时将有机物双键打开，形成游离键，两者复合到一起形成化学吸附和化学键合生成钛纳米聚合物涂料【7】。其特点为：① 抗渗透性强、② 抗腐蚀性高、③抗垢性好、④导热性好、⑤耐温性好、⑥耐磨性能好、⑦ 抗空蚀性能好、⑧ 耐水性好。4、使用效果 4.1使用部位 2004年7月，在充分对钛纳米聚合物涂料考察与试验的基础上，采用该材料对适合使用钛纳米防腐涂层的9台油气冷却器、冷凝器防腐试验应用，防腐面积为9386m2，管束内外表面防腐涂层厚度在200～220μm。 4.2使用效果 从2004年7月结合装置检修，先后在不同装置不同部位安装了9台管束。2007年7月装置检修，先后对安装在一套常减压、重油一催化的三台钛纳米管束进行抽管检查，表面情况见表1： 表1 钛纳米管束与其它管束使用比较5、经济效益分析 通常碳钢水冷却器在使用过程中因冷却水中的碳酸盐、泥沙等（管内没有采取防腐措施），在内壁易形成锈垢层。对管内采用7910涂料防腐措施的，防腐涂层相对导热率大。尽管先期涂层表面比较光滑，但后期还是有一定的水垢存在。管束外壁因受油汽中有害介质的腐蚀，产生锈蚀物依附在管壁上，形成较厚的铁锈层以及油垢层，因此使传热恶化。 5.1节能方面【8】【9】 通过对9台钛纳米聚合物涂料管束的使用，收到了满意的效果。如对初顶冷凝器（管束为Φ1000）换热面积350m2。通过对碳钢管束、7910涂料防腐管束与现钛纳米聚合物涂料管束传热系数对比计算，采用钛纳米管束比管束不防腐综合传热系数提高 66.54％，比7910管束传热系数提高49.97％。通过节能计算，每年该台冷却器管束采用钛纳米管束与不防腐管束节约能量5640.27MW/年, 可以节约（热价按20元／ＭＷ）11.3万元。与7910管束节相比可节约能量4235.13 MW/年约合8.5万元。 5.2使用寿命及造价 5.2.1钛纳米涂层管束与不防腐碳钢管束比 采用钛纳米管束按每台提高使用寿命2倍计，每台管束按使用寿命3年计，如一台Φ1100换热面积350m2的碳钢冷却器管束造价30万元，按提高使用2倍计。钛纳米管束防腐造价为12.6万元，可以节约47.4万元，每年可以节约5万元(钛纳米管束按使用9年计)。另外加上每年节约的能量11.3万元，每年可以节约16.3万元。试验9台的（防腐面积5386m2）钛纳米涂层管束，按5386m2／2（管束单面积）×（16.3万元／350/m2·年）＝125万元／y。每年可以获得直接与间接经济效益125万元以上。 5.2.2钛纳米涂层管束与7910防腐涂层管束比 采用钛纳米管束按每台可以提高使用寿命0.5倍计，每台7910涂层管束按使用寿命6年计，如一台Φ1100mm（换热面积350m2）的碳钢冷却器管束造价30万元，7910涂层管束防腐造价为19.6万元，该管束造价为49.6万元。7910涂层管束9年使用费用为74.4万元（49.6万元×1.5台），而钛纳米管束使用9年造价为42.6万元，可以节约31.8万元，每年可以节约3.5万元(钛纳米管束按使用9年计)。加上每年节约的能量8.5万元，每年可以节约12万元。试验采用的9台（防腐面积5386m2）钛纳米涂层管束，按5386m2／2（管束单面积）×（12万元／350m2·年）＝92万元／y。每年可以获得直接与间接经济效益92万元以上。从以上可以看出，采用钛纳米涂层管束使用寿命按9年计，比不防腐的碳钢管束仅试验的9台可以获的1125万元。比7910防腐涂层管束仅试验的9台可以获的828万元。6、特点
钛纳米管束在炼油装置的油汽冷却器上应用，经过4年多的使用取得了良好的效果和明显的经济效益。通过使用钛纳米管束有以下几点看法： 6.1 钛纳米管束耐蚀性好，管内外表面光洁度高,相对提高了近管壁流层速度，从而减少了管内外垢层的沉积，抗锈垢性能好。 6.2导热性好，它具有吸热和导热双重功能，其导热系数位于金属范围。从传热系数对比和节能计算看出，钛纳米管束比不防腐的管束、7910涂层管束传热效果好，热效率高，是一种节能的换热管束。 6.3 钛纳米管束维护检修方便，减轻了检修工人的劳动强度及检修费用。 6.4 解决了7910（环氧胺基涂料）防腐管束外壁不耐油汽腐蚀的问题。 6.5 钛纳米管束的防腐涂层的施工为常温固化，解决了我国管束防腐涂层需高温固化的施工工艺，降低了施工成本。7、防腐涂装
涂料的防腐涂装的质量好坏是影响换热器管束使用寿命的主要因数。防腐层的寿命取决于金属表面处理、涂层涂覆质量和施工环境等。所以管束的防腐涂装一定要按涂装 过程中技术要求进行。管束防腐涂装的过程为。 7.1施工工艺及技术要求 7.1.1施工工艺 （1）冷换设备从加工厂拉回厂房→（2）表面打磨蒸汽吹扫→（3）360kw固化炉200℃加温烘烤8小时→（4）压缩机吹扫→（5）化学碱洗除油脱脂→（6）热水洗→（7）冷水洗→(8)酸洗→（9）冷水洗→（10）1％NH3·H2O中和→（11）冷水洗→（12）钝化→（13）固化炉烘干→（14）喷石英砂Sa2.5级→（15）涂六道钛纳米聚合物涂料，要求每道漆常温固化24小时→（16）处理缺陷低标准→（17）交工验收。 7.1.2涂料要求 碳钢冷却器防腐涂料是以树脂、固化剂、钛纳米聚合物、助剂及少量溶剂组成的双组分涂料。对原装涂料要有出厂合格证及出厂日期，其检验指标应符合钛纳米聚合物涂料检测指标的规定。防腐涂层应具有极好的耐水性，详见钛纳米聚合物涂料检测指标，对弱酸与强碱介质等具有一定的耐腐蚀性。涂料在有效期内应没有结块。碳钢冷却器钛纳米聚合物防腐涂料采用专用溶剂。 配好的溶剂，应无色透明。对冷却器钛纳米聚合物涂料的溶解能力强，没有浑浊现象。 7.1.3表面处理及涂装要求
为增加防腐涂层的结合力，碳钢冷却器涂装前必须进行严格的表面处理。管内涂装，可采用喷砂或喷丸处理。管外涂装与U形管应进行化学清洗处理。表面处理后，冷却器表面应无油、无锈、干燥。 冷却器表面处理后应在24小时内涂上底漆。冷却器防腐涂层为底面合一涂料。冷却器防腐涂层结构一般为底漆两道、面漆四道、涂层总厚度为200±20μm。涂装时应先管内后管外，一般管内采用灌涂法，管外采用淋涂法。也可根据实际情况采用浸涂、喷涂等方法。每道涂层，应固化完全后，才可进行下一道涂层的施工。 7.2施工 7.2.1环境要求
⑴ 涂装环境温度为15～35℃, 涂装环境湿度应小于85%。 ⑵ 施工现场应保持清洁、无粉尘，通风良好，并应防雨、防火、防曝晒，有条件的应在装有排风机的室内进行。
⑶ 冷却器涂装前，应根据施工环境温度、设备特点、涂料、溶剂等情况，先通过样管、样板进行试验，选定适宜的施工方案与涂料粘度。
7.2.2化学清洗
冷换设备预处理。用角向砂轮机处理缺陷，主要是打磨毛刺和倒角，使尖锐表面呈圆滑过渡状态，否则由于尖端尖锐，造成尖端无法涂上涂层。用蒸汽处理宏观油污，要是处理换热器管内两头的大量黄油。 管束进入360KW固化炉200℃加温烘烤8小时、必须专人看炉进行加温，按照炉加温曲线和开炉规程进行烘烤。要将管内的黄油烘烤成油伽，便于下一步处理其它微观油污。 为了防止在基层处理过程中堵塞管束，并且破坏化学碱洗除油液的效果，应在化学碱洗之前用压缩风吹出油咖。根据工件的油污程度、选好碱洗液参考配方见表1。温度为80℃，浸泡时间为1小时。碱洗后用清水冲洗除碱。 表1 碱洗液参考配方
将无油污的工件吊入酸洗池浸泡，酸洗液参考配方见表2。温度为30～50℃，时间为1小时。 表2 酸洗液参考配方
将上述工件吊入钝化池浸泡，钝化液浓度为1%亚硝酸纳或1%重铬酸纳，溶液温度30～40℃，时间30分钟。 钝化合格的工件进行烘干处理。7.2.3喷砂处理 冷换设备防腐前用喷砂设备进行干喷射处理，要达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》中的sa2.5级标准，即钢材表面会无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物，任何残留的痕迹应反是点状或条纹状的轻微色斑。 压缩空气应除油垢、水和杂质，喷嘴入口处最小空气压力应为0.55MPa采用Φ6mm喷嘴（碳化钨）保持喷射角度30-75o，喷距为80-200mm 喷射磨料采用8-16目中细石英砂，应防止石英砂受潮，雨淋或混入杂质，含水率要低于1％，若大于1％石英砂应进行炒砂作用。 管束单根喷砂时间依管子长度而定，Φ25×6000mm的管子喷砂时间不得少于30秒，管束应两头喷。喷砂时应注意保护密封面。 喷砂后应用压缩空气吹扫粉尘。 7.2.4涂装施工 采用专用工具，开启涂料包装桶，将涂料上下搅拌均匀。检查有无浑浊、稠化、结皮、沉淀结块、肝化、粗粒等缺陷。如有以上缺陷，涂料不能使用。施工时，要严格控制粘度，严格按照涂料生产厂家配比进行调制，并且选用涂料生产厂家专用配套稀释剂根据施工环境进行粘度调整，使之达到施工要求，参考粘度见表4：表4 涂料粘度与环境温度的关系：
⑴ 管外淋涂法粘度比管内灌涂法粘度低5秒。现场涂比室内涂的粘度约低5秒。 ⑵ 涂料循环使用时，必须在泵入口处加80～100目铜丝网过滤，以防杂质进入，影响涂层质量。 ⑶ 将冷却器倾斜30度左右，用泵打循环灌涂。每涂装一道，两端倒位。非直立涂装，每做一道冷水器应转动一个角度。 ⑷ 灌涂时涂料在管内要充满，需在管内保持2～3秒，以保证涂料能充分附着在管壁表面上。 ⑸ 涂装后把换热器放在滚动胎上滚动干燥，应控制转速，不得大于20转/分钟。自然干燥一般为6-8小时，时间紧时，可采用轴流风机直接吹其表面，表干程度用手触无指纹，方可在道木上固化。 ⑹ 每一道涂装后，管端和两侧管板如有滴坠与流挂，可用毛刷修整。要确保管板漆膜完整与密封面平整，建议每道涂装后应用专用稀料擦清密封面，至最后一道用喷枪喷涂。 7.2.5涂层质量弊病及处理 表面处理质量弊病及对策见表5，涂层质量弊病及对策见表6： 表5 表面处理质量弊病及对策 7.3涂层维护 7.3.1 涂层冷却器吊运安装应避免碰撞，敲击。管束起吊时要用保护托架，着地时也要用道木铺垫。 7.3.2 冷却器封头或水箱安装时，应注意保护漆膜不受损伤。 7.3.3 涂层冷却器在操作运行时，应控制好管程、壳层的流体出入口温度和管内流速，应在设计的允许范围内，以避免超温，造成涂层破损。 7.3.4 涂料冷却器使用后检修时，涂层不能用蒸汽吹扫，不要用酸洗，冷却器物料侧吹扫时温度应控制在涂层允许范围内。 7.3.5涂装结束时或检修时，如发现两端管板局部漆膜碰损或局部脱落，可先用砂纸将缺陷部位打毛，以溶剂清洗，再用钛纳米涂料修补，至少三道，完全固化后投用。 7.3.6 涂装好后冷却器应防止曝晒。 7.4安全防护 7.4.1涂料防护施工操作应按《炼油化工施工安全规程》及国家安全防护有关规定执行。 7.4.2涂料应在专门的仓库里贮存，库房通风良好，并应放置消防设施。 7.4.3涂料作业场地应保持清洁，作业结束后，应将残存的易燃、易爆、有毒物及其他杂物清除干净。 7.4.4施工时，涂装工人应穿戴专用工作服，手套、面具、口罩，眼镜和鞋帽等，应避免涂料、溶剂直接与皮肤接触。喷砂工人必须穿戴带有单独呼吸供气系统的防护服与头盔。 7.4.6涂装与喷砂人员，每年应进行一次健康检查，不适合作业的人员，应调离岗位。 7.4.7涂装作业场所严禁烟火。并执行明火与作业区保持一定距离的规定。 7.4.8喷砂作业用的喷砂罐，应按劳动部门压力容器安全监察有关规定执行。 7.4.9喷砂与涂装施工时应注意电气安全。8、结论 钛纳米聚合物防腐涂层解决了石油化工的油汽对碳钢管束的腐蚀，延长了设备的使用寿命。同时又是一种节能的换热设备。施工工艺简单，常温固化，不需要热处理，降低防腐施工能耗。
近几年节能防腐钛纳米涂层换热管束在我厂百台（换热面积18000m2）换热器上应用，2004年起至今四年多使用状况非常好，检查表明管束内外表面无任何腐蚀和结垢现象发生，据使用情况推断其使用寿命至少在10年以上。该项目技术从涂料生产、施工到应用已有5年多的历史，应用效果充分证明该套技术已成熟可靠
该项技术研制成功无疑为石化行业水冷器及冷凝器管束内外表面防护提供了一种新技术。不仅使施工过程能耗大大降低，而且使生产运行能耗大大降低，减少了大修次数，其总的经济效益非常可观。该项技术通过2008年12月由中国化工集团组织，中国工业防腐蚀技术协会主持的科技成果鉴定表明我国水冷器和冷凝器管束防腐防垢技术达到了国内领先水平。 仅石化系统水冷器和冷却器不下上千台，应用前景十分广阔。它还可以应用在其它相类似条件的换热设备上。 参考文献
[1] 王巍，炼油厂冷却器的腐蚀与对策「J」，《石油化工设备技术》2000年第6期，P25～27；[2] 王巍、张喜华、肖力学，5454铝镁合金管束在冷换设备中的应用「J」，《石油化工设备》1990年第6期，P44～48；[3] 王巍，硝酸酸洗在我厂冷却器上的应用「J」，《全面腐蚀控制》1991年第1期，P34～37；[4] 王巍，NI-P化学镀层在糠醛换热器上的应用「J」，《石油化工腐蚀与防护》1997年第1期，P35～37；[5] 周本省编著，工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护「M」，北京：化学工业出版社，1993年，P28～29；[6] 王巍，浅谈炼油厂硫磺回收装置酸性水罐的腐蚀与防护「J」，《石油化工设备技术》2005年第1期，P35～38；[7] 薛俊峰编著《材料耐蚀性和适用性手册－钛纳米聚合物制备和应用》「M」知识产权出版社，2001年6月，P429～430；[8] 富嘉文“换热器”「M」，北京，石油工业出版社，1979年8月，P23～26；
[9] 王巍，盐酸酸洗在冷却器上的应用「J」，《化学清洗》1999年第6期，P25～27。 [ 此帖被王巍在2017-05-02 16:32重新编辑 ]
