TRT葉根防腐涂料的性能研究

吳曉嫻 郭文勇 代芳 李曉亮 郭有田

摘? ?要： 高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）在運(yùn)行過程中，葉根密封部位易發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。采樣市售密封膠進(jìn)行調(diào)研，初步篩選出可施工時(shí)間為0.25～0.5 h、固化時(shí)間大于1 h、耐飽和NH4Cl腐蝕的硅橡膠涂料，通過理化性能、耐腐蝕性和實(shí)際附著性測定，對(duì)涂料進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)：1）理化性能方面，涂料的表干時(shí)間為40 min，實(shí)干時(shí)間為100 min;濕膜厚度為215 μm，干膜厚度為146 μm;涂料的不揮發(fā)物含量為97%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和85%（體積分?jǐn)?shù)）;涂料固化后，涂層的柔韌性較好;2）耐腐蝕性方面，將涂料制備成拉伸剪切試樣，在100℃的飽和NH4Cl溶液中浸泡30 d后，拉伸剪切試板上硅橡膠涂層的顏色未發(fā)生改變，涂層與搭接試板的破壞方式均為附著破壞，拉伸剪切強(qiáng)度由1.13 MPa輕微下降至1.09 MPa;3）實(shí)際附著性方面，將涂料涂敷于葉根和榫槽之間，室溫固化后將葉根從榫槽中推出，涂層對(duì)葉根和榫槽的覆蓋率大于80%，可以對(duì)金屬基材起到較好的保護(hù)作用。研究表明， 選用的硅橡膠涂料滿足TRT的工況要求，可以用作葉根的防腐涂料。

關(guān)鍵詞： TRT;葉根密封;硅橡膠;理化性能;耐腐蝕性;附著性

中圖分類號(hào)：TQ638? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 05-006-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.002

引言

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（簡寫TRT）是將煤氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電，從而達(dá)到能量回收目的的一種節(jié)能裝置。自1974年以來，高爐煤氣余壓透平發(fā)電過程中的除塵工藝由濕法除塵工藝逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦煞ú即龎m工藝，TRT也由原來的濕式裝置相應(yīng)改變?yōu)楦墒窖b置。

干式TRT的使用環(huán)境復(fù)雜，除了煤氣中的硫酸根、氯離子等腐蝕介質(zhì)之外，還有高爐煉鐵除塵系統(tǒng)帶來的大量粉塵。粉塵與腐蝕產(chǎn)物混合，對(duì)葉片和榫槽的相對(duì)滑動(dòng)起到機(jī)械咬合作用，導(dǎo)致樅樹型葉根的拆卸費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在該工藝段，高爐煤氣因膨脹做功，溫度逐漸降低，煤氣中酸性氣體溶解在凝結(jié)水中，會(huì)在葉片表面形成一層酸性水膜，對(duì)葉片表面造成透水腐蝕。此外，動(dòng)葉片的壽命一般為4～5年，更換較為頻繁。為了便于拆裝，動(dòng)葉片的葉根與榫槽之間必須采用松裝的裝配方式，同時(shí)在根部涂抹高分子密封膠，以達(dá)到防止縫隙腐蝕、減振阻尼等目的。

基于以上需求，需篩選出能夠滿足以下要求的密封膠：可施工時(shí)間0.25～0.5 h，固化時(shí)間大于1 h，耐飽和NH4Cl腐蝕。針對(duì)TRT工藝環(huán)境，擬選用具有防腐效果的密封膠涂抹于葉根和榫槽部位，室溫固化后能起到填充縫隙、耐溫防腐的作用。

本文通過市售密封膠性能調(diào)研，首先按照上述要求，初步篩選出某涂料廠生產(chǎn)的硅橡膠涂料;然后通過試驗(yàn)，對(duì)涂料的理化性能、耐腐蝕性和實(shí)際附著性進(jìn)行測定，從而對(duì)其在TRT葉根防腐的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1? 涂料性能調(diào)研

20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[1]提出，在動(dòng)葉片和靜葉片根部刷涂#200環(huán)氧樹脂對(duì)榫槽進(jìn)行防腐處理可以起到較好的效果。但是，隨著煤氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，TRT工藝環(huán)境愈加嚴(yán)苛，對(duì)密封材料的要求也越來越高。

國外某公司開發(fā)了單組分改性有機(jī)硅密封材料[2]。中高模量級(jí)密封膠的表干時(shí)間為0.5～5 h，最高拉伸應(yīng)力為0.5～1.8 MPa，伸長率為200%～400%，邵氏硬度（Shore A）為20～40，使用期為6～12個(gè)月，滿足工況環(huán)境對(duì)密封材料基本性能的要求。此外，該密封膠對(duì)被涂裝物的振動(dòng)具有良好的緩沖和適應(yīng)能力。

我國開發(fā)的TS747高溫密封劑為雙組份反應(yīng)型硅橡膠。該密封膠最高耐溫350℃，拉伸強(qiáng)度為2～3 MPa，保質(zhì)期為1年，具有優(yōu)異的彈性、高溫密封性，常用于汽輪機(jī)等的密封。我國研發(fā)的GD-955密封膠可在室溫下固化，能耐200℃高溫，可使用時(shí)間為15 min左右。但是，硅橡膠的耐腐蝕性有待測定。

調(diào)研可知，目前市場上大多數(shù)硅橡膠的固化時(shí)間過短，最長僅為30 min左右。許多耐候性涂料只能用于設(shè)備的外壁防腐，產(chǎn)品僅受到了耐鹽霧測試，涂料的耐酸性未知。用于嚴(yán)苛環(huán)境（如脫硫裝置、氯化銨生產(chǎn)裝置等）的涂料多采用噴涂甚至高壓/無氣噴涂的方式進(jìn)行涂裝，而葉根和榫槽的結(jié)合部位并非平面，只能選擇可以刷涂的涂料。通過大量調(diào)研，初步篩選出某涂料廠生產(chǎn)的硅橡膠涂料。下文對(duì)該涂料的理化性能和耐腐蝕性進(jìn)行測試，并將涂料涂敷于模擬件上，觀察涂料在葉根和榫槽上的附著性能，確認(rèn)該涂料的適用性。

2? 試驗(yàn)

2.1? 原材料

硅橡膠涂料，某涂料廠生產(chǎn)。

2.2? 主要儀器及設(shè)備

（1）電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT4104），美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn);

（2）電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（WAW-1000），上海華龍測試儀器有限公司生產(chǎn);

（3）TF1-18/160型酸化釜，大連科茂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn);

（4）JC101-2AD型電熱鼓風(fēng)干燥箱，南通嘉程儀器有限公司生產(chǎn);

（5）QTY-32型漆膜圓柱彎曲試驗(yàn)儀，天津圣鑫達(dá)機(jī)器設(shè)備有限公司生產(chǎn);

（6）L360型涂層測厚儀，深圳吉泰自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn);

（7）電子天平（ME204E），瑞士梅特勒公司生產(chǎn);

（8）六角濕膜梳（MRIE-Z4141），英國易高公司生產(chǎn)。

2.3? 評(píng)價(jià)方法

（1）表干時(shí)間：按照GB/T 1728-1979[3]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定（試驗(yàn)方法為接觸法）。

（2）實(shí)干時(shí)間：按照GB/T 1728-1979[3]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定（試驗(yàn)方法為刀片法）。

（3）濕膜厚度：按照GB/T 13452.2-2008[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

（4）柔韌性：按照GB/T 6742-2007[5]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

（5）干膜密度：按照GB/T 9272-2007[6]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

（6）不揮發(fā)物含量：按照GB/T 9272-2007[5]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

（7）耐腐蝕性：試驗(yàn)溫度為100℃，試驗(yàn)時(shí)間為30 d，腐蝕介質(zhì)為飽和NH4Cl溶液（用HCl調(diào)節(jié)pH至3）。要測量的試件按照GB/T 7124-2008[7]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備。

（8）模擬拆卸試驗(yàn)：將硅橡膠涂料涂敷在模擬件的葉根和榫槽上，固化一周后將葉根從榫槽中推出，觀察涂層對(duì)葉根和榫槽的附著情況。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 理化性能

硅橡膠涂料為灰色單組分涂料。將涂料涂敷于馬口鐵板上，室溫固化形成涂層，固化后的涂層形貌如圖1所示。

經(jīng)測定，涂料的表干時(shí)間為40 min，實(shí)干時(shí)間為100 min。涂料的不揮發(fā)物含量為97%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和85%（體積分?jǐn)?shù)）。固化前，涂料的濕膜厚度為215 μm，密度為1.14 g/cm3;固化后，涂層的干膜厚度為146 μm，密度為1.3 g/cm3。

硅橡膠涂層彎曲后形貌如圖2所示。涂料固化后，涂層的柔韌性較好。

假設(shè)涂料的固化分兩步依次進(jìn)行：首先是小分子物質(zhì)揮發(fā)（物理變化），之后是涂料分子發(fā)生交聯(lián)（化學(xué)變化）。在固化過程中，馬口鐵板上的涂層無損耗，因此，涂層的厚度與體積始終成正比例關(guān)系。涂料在馬口鐵板上的涂敷面積為60 cm2，涂覆厚度為215 μm，因此，涂料體積為1.29 cm3。在涂料的第一步固化過程中，只有小分子物質(zhì)的揮發(fā)，因此，涂層的厚度與體積均為固化前的85%，涂層的質(zhì)量為固化前質(zhì)量的97%。通過質(zhì)量和體積，可計(jì)算出涂層密度。第二步，固化完成后，涂料的各項(xiàng)參數(shù)均可直接測定得出。對(duì)比固化前后的涂料參數(shù)，如表1所示。由表1可知，固化過程中，揮發(fā)導(dǎo)致涂料質(zhì)量減小了2.7%，交聯(lián)導(dǎo)致涂料質(zhì)量減小了22.4%。因此，涂層質(zhì)量降低的主要原因是內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)。同理可知，涂料的密度增加是由小分子物質(zhì)揮發(fā)所導(dǎo)致的，體積下降則是二者共同作用的結(jié)果。

3.2? 耐腐蝕性

腐蝕試驗(yàn)前后，涂層在拉伸剪切試板上的附著形貌分別如圖3a和3b所示。由圖3a和3b可知，腐蝕試驗(yàn)前后，拉伸剪切試板上硅橡膠涂層的顏色未發(fā)生改變，涂層與搭接試板的破壞方式均為附著破壞。但是，涂層與基金基材的結(jié)合強(qiáng)度降低，拉伸剪切強(qiáng)度由1.13 MPa輕微下降至1.09 MPa。腐蝕試驗(yàn)后，硅橡膠涂層的搭接剪切面積變小，這是由于涂料在固化過程中的交聯(lián)程度較高，邊緣的硅橡膠向內(nèi)聚合，導(dǎo)致涂料與拉伸剪切試板的接觸面積變小。

3.3? 實(shí)際附著性

使用羊毛刷將涂料分別刷涂在葉根和榫槽上，之后將葉根推入榫槽中。室溫固化一周后，將模擬件放置于電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上，施加壓力將葉根緩慢推出。

拆卸后，葉根和榫槽的外觀形貌分別如圖4a和4b所示?？梢钥闯?，涂層對(duì)葉根和榫槽表面的覆蓋度超過80%，可以對(duì)金屬基材起到較好的保護(hù)作用。

4? 結(jié)論與展望

TRT工藝的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)涂料的密封性能提出了更高要求，耐腐蝕、韌性好的室溫固化涂料成為新材料的發(fā)展方向。本文通過對(duì)市售密封膠的調(diào)研，初步篩選出某涂料廠生產(chǎn)的具有高固化時(shí)間的硅橡膠涂料，然后通過測定涂料的理化性能、耐腐蝕性和實(shí)際附著性，得知該涂料滿足TRT工況的要求，具體結(jié)論如下：

（1）硅橡膠涂料的基本理化性能滿足工況要求，表干時(shí)間為40 min，實(shí)干時(shí)間為100 min;

（2）硅橡膠涂層的耐腐蝕性良好。腐蝕試驗(yàn)后，涂層的顏色未發(fā)生變化，與金屬的拉伸剪切強(qiáng)度僅從1.13 MPa輕微下降至1.09 MPa。

（3）硅橡膠涂層對(duì)葉根和榫槽的覆蓋率大于80%，具有較好的附著性能。

雖然具有行業(yè)針對(duì)性、可工業(yè)化量產(chǎn)的涂料種類仍然較少，但隨著市場的不斷擴(kuò)大和我國對(duì)新材料研發(fā)的大力支持，防腐涂料行業(yè)資源將不斷整合，具有市場影響力的高端密封膠將會(huì)被逐步開發(fā)出來。

參考文獻(xiàn)

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[7] 膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定： 剛性材料對(duì)剛性材料： GB/T 7124-2008[S].

作者簡介：

吳曉嫻（1993—），通信作者，女，山西晉中人。主要研究方向：涂料防腐。

E-mail： 1272211810@qq.com

郭文勇（1982—），男，山西襄汾人。研究方向：表面處理、失效分析。

E-mail： gwy_007@163.com

代芳（1992—），女，陜西西安人。研究方向：表面處理。

E-mail： 1067301454@qq.com

李曉亮（1986—），男，陜西富平人。研究方向：六高氣田非標(biāo)壓力容器制造及油氣田工程建設(shè)。

E-mail： 386802628@qq.com

郭有田（1988—），男，陜西延長人。研究方向：壓力容器和壓力管道元件研發(fā)制造。

E-mail： 409641623@qq.com

（收稿日期：2020-09-04）