紀國劍,郭晶晶,李 森,王政偉,薛瑞芳

(1. 常州大學 石油工程學院，常州 213164； 2. 常州大學 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室, 常州 213164; 3. 江蘇龍英管道新材料有限公司，常州 213016)

鋁的化學性質穩(wěn)定，壽命長，鋁箔本身不透光且表面具有金屬光澤，對電磁波具有很強的反射作用，作為保溫層材料可以極大地減少輻射熱損失。鋁可以在空氣中自我鈍化形成氧化鋁保護膜，隔絕外界接觸，從而使鋁具有一定的耐腐蝕性能。

單獨鋁箔的強度、剛度、絕熱特性并不太好，為提高其強度，發(fā)揮反熱輻射作用，一般將鋁箔和其他材料做成復合材料。鋁箔延展成0.006～0.1 mm的薄層后很難單獨形成空氣間層，因此可將其依托在具有一定剛性的其他薄材(如玻纖布)上面。當鋁箔厚度大于15 μm時，鋁箔表面微孔消失，空氣滲透、水蒸氣滲透近似為零，可視為不透氣材料[1]。這些優(yōu)點使得鋁箔的反射特性十分良好，可降低管道10%～15%的散熱損失，被廣泛用于蒸汽輸送熱網管道的保溫[2]。但在鋁箔生產中采用了軋制工藝，這就不可避免地產生針孔缺陷，導致水蒸氣滲透過反射層進入內層的高溫玻璃棉，與高溫玻璃棉中的物質結合形成堿性水溶液，進而腐蝕鋁箔，降低鋁箔對輻射的反射效果，增大熱量損失[3-5]。

某電廠熱網管道鋁箔玻纖布反射層的鋁箔發(fā)生了腐蝕。本工作對反射層腐蝕形貌進行了觀察，并采用X射線熒光光譜儀對腐蝕表面進行了元素分析和含量測定，分析了鋁箔玻纖布鋁箔側腐蝕的原因，為減少鋁箔表面腐蝕提供技術支持。

1 鋁箔玻纖布表面腐蝕影響因素分析

鋁箔表面與周圍介質接觸，發(fā)生化學或電化學反應后，在鋁箔表面產生缺陷，被腐蝕的鋁箔表面會失去金屬光澤，嚴重時還會產生灰色腐蝕產物。鋁箔玻纖布中的鋁箔發(fā)生腐蝕有以下幾種可能：1) 鋁箔存放保管不當，由于氣候潮濕或雨水浸入而引起腐蝕；2) 工藝潤滑劑或接觸材料(高溫玻璃棉)中含有水分或呈堿性；3) 復合材料(玻纖布)成堿性[6]。

1.1 鋁箔的影響

純鋁的強度不高，但可通過冷加工使強度提高一倍以上，另外可通過添加鎂、鋅、銅、錳、硅、鋰、鈧等元素對其進行合金化，再經過熱處理使純鋁的強度進一步提高[7]。試驗材料為牌號O-1235的合金鋁箔，其中鋁質量分數為99.35%，同時含有微量硅、鐵、銅、錳、鎂、鋅、釩、鈦等金屬，鐵硅質量比為0.25。鐵硅質量比會直接影響鋁箔細化晶粒和表面質量[8]及其耐蝕性[9]。

1.2 接觸保溫材料的影響

鋁箔表面變色發(fā)黑的原因是高溫玻璃棉中堿性氧化物(主要是氧化鈉Na2O和氧化鉀K2O，見表1所示)在水蒸氣的作用下，與鋁箔發(fā)生化學反應，生成了偏鋁酸鈉NaAlO2和偏鋁酸鉀KAlO2等，并在鋁箔表面沉積，其化學反應如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 某型高溫玻璃棉化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of a certain type of high temperature glass wool (mass fraction) %

1.3 玻纖布的影響

玻纖布主要由玻璃纖維和短線針刺無紡布復合而成，是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，根據含堿量高低分為高堿布、中堿布和無堿布。目前,適用于熱網的鋁箔玻纖布多為中堿布，其含有一定量的堿金屬氧化物，如Na2O，其作用機理與堿性玻璃棉相似。郝雪龍等[10]采用電位法測量了鋁合金陽極氧化膜的耐堿腐蝕性能, 發(fā)現(xiàn)陽極氧化能夠提高其耐堿腐蝕性能，但對點腐蝕的改善作用有限。

2 理化檢驗與結果

2.1 形貌觀察

保溫鋁箔玻纖布反射層試樣取自無錫某電廠蒸汽管道。該蒸汽管道已運行3 a，其外徑為820 mm、厚度為10 mm，管內蒸汽溫度為313～314 ℃，壓力為1.088～1.109 MPa。該蒸汽管道主要采用了典型的硅酸鋁針刺毯、高溫玻璃棉、3款不同耐高溫的鋁箔玻纖布反射層和彩鋼板等共14層復合保溫結構，如表2所示。每層保溫材料之間，有一層鋁箔玻纖布反射層，以降低輻射散熱量。

表2 無錫某電廠蒸汽管道的保溫結構Tab. 2 Thermal insulation structure of steam pipeline of a power plant in Wuxi City

取樣時發(fā)現(xiàn)靠近管道的內4層反射層的鋁箔狀態(tài)良好，無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，而最外2層反射層即第5層和第6層反射層的鋁箔光面?zhèn)让黠@變暗，局部出現(xiàn)發(fā)黑或變白現(xiàn)象(白斑)，如圖1所示，同時發(fā)現(xiàn)，與之接觸的高溫玻璃棉潮濕，且顏色變暗。雖然內層的耐高溫鋁箔玻纖布反射層長期工作在高溫環(huán)境中，但水氣很難滲透過多層的玻璃棉和鋁箔玻纖布進入保溫層內部，因此工作環(huán)境較為干燥;而最外的2層鋁箔玻纖布反射層受環(huán)境溫、濕度和高溫玻璃棉的影響，因此表面發(fā)生大面積腐蝕，顏色明顯變暗，局部發(fā)黑，腐蝕現(xiàn)象嚴重。

(a) 第5層鋁箔玻纖布反射層

(b) 第6層鋁箔玻纖布反射層圖1 無錫某電廠熱網用鋁箔玻纖布反射層照片F(xiàn)ig. 1 Photographs of the 5th (a) and the 6th (b) reflective layers of aluminum foil with fiberglass cloth on heat-supply network of a power plant in Wuxi City

2.2 X射線熒光光譜分析

為深入研究鋁箔玻纖布反射層發(fā)黑變暗的原因，采用島津(SHIMADZU) EDX-8000能量色散型X射線熒光光譜儀(XRF)進行了表面元素定量分析。試驗共測試了6個樣，試樣尺寸為15 mm×15 mm，試樣來源及測試位置如表3所示。其中，試樣O-1，O-2為全新未使用過的高溫反射層，同時測試了正反兩面，分別對應O-1鋁箔側和O-2玻纖布側。

表3 鋁箔玻纖布反射層試樣Tab. 3 Reflective layer samples of aluminum foil with fiberglass cloth

由圖2可見，試樣5C-B表面存在多達12種金屬元素。其主要原因如下：其一，鋁箔玻纖布中使用的鋁箔為西安鋁業(yè)生產的O-1235型金屬壓延鋁，材料本身含有微量硅、鐵、銅、錳、鋅等金屬元素；其二，與鋁箔緊密接觸的高溫玻璃棉中含有硅、鈉、鋁、鉀、鈣等金屬元素的氧化物，這些氧化物會與鋁氧化物發(fā)生化學反應，如氧化鈣CaO與偏鋁酸鈉NaAlO2反應生成CaO·Al2O3會沉淀出來；其三，玻纖布中含有大量的硅和鈣元素，在長期使用過程中，這些元素會通過鋁箔的針孔滲透至鋁箔光面?zhèn)取Ａ硗?，在施工過程中，鋁箔玻纖布通常以纏繞方式包覆在管道外壁，局部位置鋁箔玻纖布會出現(xiàn)重疊，導致鋁箔光面直接與內層的玻纖布接觸。玻纖布中鈣氧化物與鋁箔中鋁氧化物長期作用會發(fā)生化學反應，生成共生白色沉淀物，在鋁箔表面沉淀并導致鋁箔反射率下降。

圖2 試樣5C-B表面元素分析XRF譜Fig. 2 Surface element analysis XRF spectrum of sample 5C-B

表4給出了不同試樣X射線熒光分析結果。結果表明，不同的鋁箔玻纖布反射層表面主要元素為鋁，其含量均在98%(質量分數)以上，同時含有多種微量金屬元素；不同鋁箔玻纖布反射層中各種微量元素成分會略有不同，其含量也會有微弱波動，如試樣5C-B和5C-W，后者缺少了硫和鉀元素。

3 腐蝕原因分析

對比第五層反射層局部發(fā)黑試樣5C-B與局部發(fā)白試樣5C-W的X射線熒光分析結果可知，后者的鈣質量分數由0.53%增加到1.25%，增加了一倍多，鈣主要來源于玻纖布。第6層反射層局部發(fā)黑試樣6C-B與局部發(fā)白試樣6C-W，也出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。新品試樣O-1中鈣元素含量也較低。導致鋁箔玻纖布反射層發(fā)白的原因是鋁箔表面生成了CaO·Al2O3等共沉淀物，且產物中的NaOH會進一步促進偏鋁酸鈉NaAlO2的形成，整個反應成惡性循環(huán)，其化學反應見式(5)～(8)。水蒸氣的滲透為反應提供了水，加速了腐蝕的發(fā)生。

(5)

(6)

(7)

2NaOH

(8)

表4 不同試樣X射線熒光分析結果(質量分數)Tab. 4 X-ray fluorescence analysis results of different samples (mass fraction) %

4 結論與建議

對無錫某電廠熱網管道鋁箔玻纖布反射層中鋁箔腐蝕的原因進行了分析,得到如下結論并提出相應的建議：

(1) 鋁箔與玻纖布纏繞時，重疊部分的玻纖布中鈣氧化物會與鋁箔中鋁氧化物長期作用發(fā)生化學反應，生成共生白色沉淀物，在鋁箔表面沉淀并導致鋁箔反射率下降。在實際施工中，應盡量減少鋁箔與玻纖布的直接接觸，纏繞時應盡量避免重疊。

(2) 水蒸氣的滲透會加速腐蝕的發(fā)生，建議保溫管道外層玻纖布與彩鋼板之間，增加一層防水薄膜。