摘要 针对大型尿素造粒塔内腐蚀状况,选用甲基丙烯酸型乙烯基酯树脂为防腐蚀材料,提出2套防腐蚀构造设计方案。经过工程实际应用,取得了满意的效果。
关键词 尿素造粒塔 甲基丙烯酸型 乙烯基酯树脂 防腐蚀构造设计
1 尿素造粒塔的结构特点及腐蚀状况
1.1 尿素造粒塔的结构特点
尿素造粒塔是一个钢筋混凝土筒体,采用滑模施工,其结构特点是:
(1)刚度好。不易产生变形,筒体结构避免了平面须设缝的问题。
(2)整体性好。不易产生裂缝、断裂、扭曲等问题,塔壁较厚,亦不易损坏。
(3)稳定性好。高径比在3~4,不会发生塌坍。充分的结构配筋,更增加了其稳定性。
(4)自然通风效果好。高度超过90 m,拔风效果十分显著。
(5)抗渗性好。在施工过程中加入水泥添加剂,整体结构密实,抗渗等级大为提高。
1.2 尿素造粒塔内腐蚀特点
尿素颗粒本身(尤其在干燥状态)腐蚀性很小,一旦受潮、吸水、溶解,则危害极大。在现代化大型装置的生产工艺中,已经提高了造粒喷头出口尿液温度(目前已超过140℃),并有继续提高的趋势。这样一来,塔内基本上存在气、液、固三相,对塔内壁分别产生腐蚀影响:塔顶高温潮湿气雾的扩散、渗透;塔中部液体渗透、结晶、溶胀;塔下部颗粒冲刷。其中,塔中部腐蚀最为严重,破坏性最大。当生产不正常时,高温尿液会直接喷射到塔壁。这时,高温部分会迅速破坏防蚀层,对钢筋混凝土塔体产生严重危害;低温部分产生粘壁现象,最终破坏塔壁防护层,危及塔底安全。平时洗塔(塔底清理)和大修期间,用热水清洗塔壁也是造成塔内腐蚀的重要原因。尿素溶解后,加剧了渗透过程。所以,腐蚀最快的往往是塔底花岗石刮料平台。由于造粒塔特殊的结构特点,一般塔外壁受到的腐蚀比较小,即使不作任何防护,其腐蚀过程也很缓慢。但由于处在化工生产的小环境内,因而塔外壁用涂料加以适当保护也是必要的。
2 尿素造粒塔常见的防护措施及实际效果
(1)“裸塔”。主要考虑到尿素颗粒的腐蚀属盐的结晶、溶胀,因此只要提高塔体的抗渗等级(抗渗等级≥1.2 MPa),防止尿液渗透就可进行防护。主要措施是在塔体浇制过程中,在混凝土中添加减水剂、密实剂、阻锈剂等添加剂。个别的对塔内表面喷涂养护剂,或局部刷些涂料,以利提高塔身的防腐蚀效果。有资料报道,国外许多化肥生产厂家对尿素造粒塔就如此处理,且具有良好的使用效果。我国曾在70年代引进的十余套装置中进行过个别尝试,但由于密实剂等化工材料的生产技术以及施工过程比较复杂,加之操作原因,往往容易造成缺陷,影响塔体使用寿命和效果。
(2)涂料防护。涂料品种包括氯磺化聚乙烯、聚氨基甲酸酯、环氧聚氨基涂料、PAPI、氯乙
烯-偏氯乙烯等。主要目的在于依靠有机涂层,在内表面上形成连续、致密的涂膜,防止尿液渗透。但因涂层薄,抗渗效果差,不耐冲刷,而且需要经常重涂。尤其是聚氨基甲酸酯等涂料,虽然耐尿素腐蚀,但与混凝土的膨胀系数有较大差距,涂膜柔韧性欠佳,所以易产生细微裂纹,引起尿液腐蚀。有些涂料配套又存在问题,故成功的事例很少。而且塔体一旦被尿液腐蚀,会在塔壁很深的部位形成结晶、残留液,直接影响涂层的附着力,同时对新涂层产生背面腐蚀而引起剥离,因此修复非常因难。
(3)贴玻璃布,形成玻璃钢保护层。这是一种较好的办法,采用材料包括环氧树脂、氯磺化聚乙烯、聚氨酯(一布六胶)等。但环氧树脂耐温性较低且脆性大,氯磺化聚乙烯粘结力小、抗渗效果差。采用单纯贴布方法,没有富树脂层,且由于胶液含量低,表面粗糙容易形成粘塔、渗透等现象,防腐蚀效果也不理想。有时由于材料本身原因(比如材料寿命短)造成提前老化、脱落、起壳等现象。同时由于塔体过高,内部又没有其它附属结构可以依托,故影响使用,更影响维修。调查中也发现有的塔采用这种防护措施后,效果良好,时间已超过8年仍在使用的。
(4)贴玻璃布加涂料复合进行防护。采用的材料包括环氧树脂与环氧涂料复合、与氯磺化聚乙烯涂料复合等。复合保护关键在于材料的选择和施工技术。从目前已经采用这类构造的塔体看,多数较理想。特别是选用乙烯基酯树脂材料与乙烯基酯鳞片涂料效果更佳。
(5)采用树脂鳞片胶泥进行防护。树脂鳞片胶泥具有抗渗透性好、耐温度骤变、选择树脂具有较大的灵活性等特点,故可以提高塔内壁的耐温等级。同时根据鳞片树脂胶泥配比的不同,可以有效地提高树脂含量,而达到显著的防护效果,是一个经济、可行的措施。从现场施工
情况看,还具有周期短、操作简便等特点。从上述方法看,增设内壁防护层的造价随着构造复杂程度增加而逐步上升。这反映出尿素造粒塔的防腐蚀投资应该一步到位,以减少日后修复的困难与麻烦,有效提高尿素造粒塔的利用率,延长使用寿命。塔底及刮料平台多采用不锈钢板、花岗岩,或两者搭接作面层,下面铺设防腐蚀隔离层,并采用防腐蚀材料作结合层的结构,提高抗渗、抗冲、承载及防腐蚀功能。塔外表面选择抗紫外线、耐候性较好的防腐蚀涂料进行防护。
3 新型防腐蚀材料选用及构造设计
3.1 新型材料选用原则及依据
塔内壁防腐蚀材料必须具备自身寿命长、耐温度骤变性好、抗渗透性能强、粘结强度高、防腐蚀效果突出等特点。塔外表面材料应能抗紫外线、耐蚀性好,对刮料平台还得考虑具有抗冲击性能。乙烯基酯树脂是综合性能非常优越的一类高度耐蚀材料。用环氧树脂作为骨架与甲基丙烯酸聚合制得的乙烯基酯树脂,综合了环氧树脂的优点,固化后的性能比环氧树脂提高许多。它不仅改进了环氧树脂的操作性、工艺性,其突出优点还在于耐蚀性、韧性、对玻璃纤维的浸润性能优良。耐温性能较环氧树脂(E44)有较大提高,气态达120℃。以乙烯基酯树脂作为主要成膜物质,开发、生产的乙烯基酯树脂玻璃鳞片涂料不仅抗渗耐磨,而且保留了成膜树脂的耐蚀和力学性能,一次成膜厚度可以达到100μm以上。乙烯基酯树脂与鳞片涂料复合,可以解决单一材料难以对付的腐蚀问题。这种复合技术国外有过不少报道。日本一项调查表明:采用这种结构制造的设备,有25年以上成功使用的纪录。笔者曾将这类结构应用于85℃连续操作、高速搅拌、固体颗粒、较强酸性介质的碳钢反应罐(用作衬里材料),使用3年以上完好无损。另有3台配酸设备,用乙烯基酯树脂衬里,也使用10年以上。由此可见,选用乙烯基酯树脂(甲基丙烯酸型)作为尿素造粒塔的内表面防护层是可行的,也是理想的选择。
3.2 防腐蚀构造设计及特点
根据调查并综合塔内腐蚀的特点,防蚀层构造设计除保留传统的做法外,应在提高耐温、抗渗、防粘塔、抗冲刷方面有新的提高。若兼顾施工等诸因素,对塔内壁防腐蚀构造设计有2个方案可供选择。
(1)方案A(玻璃钢结构)
浇筑塔体(加减水剂、密实剂等以提高抗渗强度等级)，基层表面处理(符合“建筑防腐蚀工程施工及验收规范”GB 50212-91要求)。稀释的乙烯基酯树脂打底2道(视具体情况,酌情增加粉料)
乙烯基酯树脂贴玻纤布2层、玻纤毡1层(形成富树脂层)
乙烯基酯鳞片涂料3道(达到抗渗、耐磨效果),涂层厚度≥300μm
自然养护7~15 d。
(2)方案B(鳞片胶泥结构)
浇筑筒体(加减水剂、密实剂等以提高抗渗强度等级)
基层表面处理(同方案A)
稀释的乙烯基酯树脂打底2道
乙烯基酯树脂鳞片胶泥1道,厚度≥1mm
乙烯基酯鳞片涂料2道,涂层厚度>200μm
自然养护7~15 d。
3.3 方案的比较
通过几年的运行,证明采用乙烯基酯树脂作为耐蚀树脂,玻璃鳞片为抗渗、耐磨填料,结构设计合理,能取得良好的防腐蚀效果。具体比较如表1示。
表1 两种防腐蚀构造设计方案比较
(1)抗渗透性能
据测定,1 mm厚的玻璃鳞片胶泥层内有100多层鳞片平行排列,气体、液体要透过该涂层常常需要迂回曲折,延长了路径,增强抗渗性能。
(2)粘结力
鳞片胶泥固化时,鳞片同树脂在法线方向的收缩应力受到限制,因而胶泥与基体的粘结力强。如果施工中不采取一定的措施,玻璃钢是很容易起壳的。
(3)施工结构
所衬的玻璃钢厚度一般要达到2~3 mm,某些部位甚至更厚。玻璃鳞片胶泥通常只须1~1.5 mm即可,施工过程大为简化。
3.4 塔底、塔外壁设计方案
塔底设计中有2点须注意:(1)隔离层及结合层,灌缝材料宜选用同种耐蚀材料,缝隙须完整、饱满;(2)不同材质的防腐蚀构造层,应注意交接处的缝隙及材料搭接处理,不留隐患。塔外壁可以选用高氯化聚乙烯、氯化橡胶类材料涂刷,厚度以>120μm为宜。
4 结语
方案A的构造设计已在我国西北某大化肥厂尿素造粒塔选用。经过近4年的运转,虽然经常开停车,但应用状况良好。方案B的构造设计目前在北方某化学工业公司新建的尿素装置中使用,经过近2年多的运转,效果显著。乙烯基酯树脂材料是比较先进的耐蚀材料,选用的构造设计技术合理,实用性强。这种新技术来自传统工艺,但有了进一步的发展:
(1)引入玻璃毡,形成耐蚀性突出的富树脂层,改变了过去以布为主体的单一结构,而且减少了贴布层数;
(2)采用玻璃鳞片涂料技术,既增加了涂层厚度,又提高了防腐蚀、抗冲刷、耐磨损等级;
(3)将高耐蚀乙烯基酯树脂材料与同类材料制作的涂料产品有机结合,消除了配套性不良所产生的影响。采用方案B,不但兼顾了贴布、复合涂料等特点,而且在提高施工可操作性、加速工程进度、有利控制工程质量等方面显出优越性。目前采用的防护措施,综合造价与环氧树脂同类构造基本相当,经济上是合理的,从而具有十分广阔的应用前景。
