收稿日期： 2023-05-28

作者簡(jiǎn)介： 李興海（1986-），男，甘肅省張掖人，高級(jí)工程師，研究方向：鹽湖資源綜合利用。

通信作者： 劉偉華（1978-），男，工程師，碩士，研究方向：腐蝕與防護(hù)。

摘""""" 要：鹽湖資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，金屬材料腐蝕問(wèn)題對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成很大危害。因此設(shè)備的腐蝕防護(hù)是鹽湖資源開(kāi)發(fā)的基本保障之一。以陶瓷顆粒為主要填料、改性環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物，開(kāi)發(fā)出可應(yīng)用于鹽湖苛刻工況環(huán)境中的柔性陶瓷涂料，并對(duì)涂層基本物理機(jī)械性能和耐腐蝕性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：柔性陶瓷涂料耐磨性好，在噴砂鋼材表面附著力可達(dá)20.3 MPa，綜合機(jī)械性能優(yōu)良；涂層的耐化學(xué)溶劑性能良好，室溫下，在10% NaCl溶液，10% NaOH溶液中浸泡30天后涂層表面無(wú)任何變化；在30% H2SO4溶液中浸泡30天后涂層有輕微變色，在10% HCl 溶液中浸泡30天后涂層起泡，無(wú)紅銹；應(yīng)用于熱溶生產(chǎn)氯化鉀工藝中的濃密機(jī)底流泵管接頭內(nèi)壁防護(hù)，可有效提高設(shè)備的使用壽命。

關(guān)" 鍵" 詞：鹽湖化工設(shè)備；柔性陶瓷涂料；耐蝕性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ630.7"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A"""""" 文章編號(hào)： 1671-0460（2024）02-0205-05

察爾汗鹽湖是我國(guó)目前探明的最大鉀鎂鹽礦，鹽類(lèi)資源儲(chǔ)量超過(guò)六百億噸，潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)數(shù)十萬(wàn)億元[1-2]。鹽湖資源開(kāi)發(fā)在我國(guó)西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著重要的地位。

在鹽湖資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鋼構(gòu)、輸送管道和化工設(shè)備及其建筑物等結(jié)構(gòu)材料在鹽湖環(huán)境或介質(zhì)中會(huì)遭受腐蝕破壞，有的在較短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成很大危害。這已經(jīng)引起相關(guān)企業(yè)和科研單位的高度重視[3]。目前，有關(guān)金屬材料在鹽湖環(huán)境中的腐蝕行為及腐蝕機(jī)理研究不斷豐富，為鹽湖環(huán)境中使用設(shè)備的選材及防護(hù)研究提供了依據(jù)，為鹽湖資源開(kāi)發(fā)提供了保障[4-5]。碳鋼在鹽湖環(huán)境中很短時(shí)間內(nèi)即發(fā)生腐蝕破壞，不銹鋼、雙相鋼、鈦合金等金屬材料雖然耐蝕性能較碳鋼好，但是其價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模使用，并且破壞事故仍時(shí)有發(fā)生[6-7]，因此在金屬材料表面涂覆涂層進(jìn)行腐蝕防護(hù)是提高設(shè)備使用壽命的非常重要和常用的手段[8]。為適應(yīng)更加嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常對(duì)普通有機(jī)涂層進(jìn)行物理改性和化學(xué)改性來(lái)提升涂層耐腐蝕能力、力學(xué)性能等方面性能[9-10]。例如卜慶鵬[11]等在環(huán)氧樹(shù)脂中添加氟樹(shù)脂改性的納米二氧化硅、氟蠟和石墨烯等填料，提高了涂層耐腐蝕性能和疏水性能；閆健[12]將玄武巖鱗片加入環(huán)氧樹(shù)脂中制備重防腐涂層，提高了涂層的耐腐蝕性能。劉寶成[13]等將陶瓷粉和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行混合，制備的柔性陶瓷涂料具有良好的物理機(jī)械性能以及優(yōu)異的耐磨性能、耐化學(xué)品性能。柔性陶瓷涂料兼有陶瓷的剛性和樹(shù)脂的韌性，近年來(lái)，一些國(guó)際陶瓷涂料品牌如美國(guó)賽克54陶瓷涂料、德國(guó)CP陶瓷涂料等產(chǎn)品已經(jīng)在石油石化、海洋平臺(tái)管線等許多重防腐領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[14-15]。

本文采用無(wú)機(jī)陶瓷顆粒作為主要填料，改性環(huán)氧樹(shù)脂作為成膜物，制備了柔性陶瓷涂料，考察了涂層的物理機(jī)械性能和耐蝕性能，并研究了其在鹽湖工業(yè)鉀鹽生產(chǎn)設(shè)備中的防護(hù)適用性，為鹽湖資源開(kāi)發(fā)中設(shè)備防護(hù)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 涂料及涂層制備

采用陶瓷粉為主要填料，酚醛改性環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物。按表1比例將樹(shù)脂、陶瓷粉、溶劑和助劑加入攪拌器，室溫?cái)嚢? h，制得涂料。

將柔性陶瓷涂料與聚氨酯固化劑按質(zhì)量比6∶1比例混合，用稀釋劑調(diào)整涂料黏度，使用噴槍在0.5 MPa空氣壓力下在經(jīng)過(guò)噴砂處理后的樣板表面進(jìn)行噴涂。涂層在室溫中干燥、固化，2 h表干后可進(jìn)行第二道噴涂，7天后試驗(yàn)樣板完全固化可投入使用。

1.2" 測(cè)試方法

涂層拉開(kāi)法附著力的測(cè)試采用PosiTest AT拉拔測(cè)試儀，依據(jù)GB/T 5210—2006進(jìn)行。試柱直徑20 mm。進(jìn)行6組重復(fù)測(cè)試計(jì)算附著力平均值，觀察樣件表面的破壞形式，按以下方式評(píng)定破壞類(lèi)型：A——底材內(nèi)聚破壞；A/B——涂層與底材間的附著破壞；B——涂層內(nèi)聚破壞；B/Y——涂層與膠黏劑間附著破壞；Y——膠黏劑內(nèi)聚破壞；Y/Z——膠黏劑與試柱間附著破壞。對(duì)于每種破壞類(lèi)型，估算破壞面積所占比例，精確至1%。

涂層耐磨性能測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1768—2006進(jìn)行。采用美國(guó)Taber Industries公司CS-10型號(hào)的橡膠砂輪，橡膠砂輪負(fù)載1 kg，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速60 r/min。

涂層基本性能，包括硬度（GB/T 6739—2006）、耐沖擊性能（GB/T 1732—93）、柔韌性能（GB/T 1731—93）均依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

耐化學(xué)品腐蝕性能依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G20進(jìn)行測(cè)試。試樣分別浸泡于下列四種溶液中：10% NaCl溶液，10% NaOH溶液，10% HCl 溶液，30% H2SO4溶液。溶液溫度25 ℃。樣件尺寸φ20 mm×150 mm，材質(zhì)為Q235鋼。

模擬熱溶結(jié)晶生產(chǎn)氯化鉀工藝中濃密機(jī)底流泵的工作環(huán)境進(jìn)行工況模擬浸泡試驗(yàn)，濃密機(jī)底流泵工作介質(zhì)為鉀石鹽料漿，溫度90～95 ℃。鉀石鹽料漿制備工藝：采用察爾汗鹽湖中的湖鹽作為原料，將湖鹽用研缽粉碎，與適量的水混合，充分?jǐn)嚢杈鶆?，過(guò)濾后得到鉀石鹽固體，將鉀石鹽固體溶解到適量的水中配制鉀石鹽料漿，調(diào)節(jié)料漿pH值5～6。將樣件浸泡于鉀石鹽料漿中，用機(jī)械攪拌模擬料漿流動(dòng)，攪拌速率300 r/min，用油浴控制鉀石鹽料漿溫度為（95±2）℃。樣件尺寸φ20 mm×150 mm，材質(zhì)為Q235鋼。

采用掃描電子顯微鏡觀察涂層微觀形貌的變化，測(cè)試試樣經(jīng)噴碳處理。并用儀器自帶的EDS組件分析樣品表面元素成分。用Stemi508體視顯微鏡觀察樣件表面形貌。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 涂層的力學(xué)性能

表2為柔性陶瓷涂層附著力測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，1#和5#試柱的附著力測(cè)試數(shù)值較低，其破壞類(lèi)型主要是膠黏劑與試柱之間的破壞，涂層并未被破壞，未能反映出涂層的真實(shí)內(nèi)聚強(qiáng)度。其余四個(gè)試柱的破壞類(lèi)型主要是涂層內(nèi)聚破壞，有少部分是涂層與基體之間附著破壞，從這四個(gè)試柱的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到涂層附著力平均數(shù)值為20.3 MPa，可以看出柔性陶瓷涂層內(nèi)部具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，與經(jīng)過(guò)噴砂處理的鋼材表面亦有較好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1是經(jīng)附著力測(cè)試涂層拉拔破壞后的照片。

從圖1中可以看到，涂層拉拔斷裂處斷口光滑，無(wú)松散的陶瓷顆粒。陶瓷顆粒與樹(shù)脂之間混合充分，完全浸潤(rùn)。陶瓷顆粒被樹(shù)脂完全包覆，與樹(shù)脂成為整體，因此柔性陶瓷涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

涂層的基本物理性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。可以看到，柔性陶瓷涂層具有較高的硬度及較好的耐磨性能，同時(shí)涂層具有較好的柔韌性和抗沖擊性能，綜合力學(xué)性能良好。

2.2" 化學(xué)溶液浸泡試驗(yàn)

柔性陶瓷涂層樣件在化學(xué)溶劑中浸泡前后的照片如圖2所示。從中可以看到，柔性陶瓷涂層樣件在10% NaCl溶液中浸泡30天后，外觀沒(méi)有任何變化；在10% NaOH溶液中浸泡后的樣件，除了顏色稍微變淺外涂層外觀無(wú)其他變化，仍然保持涂層光澤；在30% H2SO4溶液中浸泡后的樣件，涂層顏色由青色變成黃色；在10% HCl 溶液中浸泡的樣件，涂層顏色由青色變成黃色，并且涂層變得粗糙，失去光澤，但是涂層仍然完好，無(wú)脫落破損，樣件表面無(wú)紅銹，涂層仍能對(duì)基體起到防護(hù)作用。

圖3是在體視顯微鏡下觀察的在化學(xué)溶液中浸泡后的涂層表面形貌。

可以看到，在10% NaCl溶液和10% NaOH溶液中浸泡后的涂層表面與浸泡前完全一樣，陶瓷顆粒均勻地分散于樹(shù)脂中，涂層均勻細(xì)膩，致密光滑；在30% H2SO4溶液中浸泡后的樣件，涂層表面細(xì)膩光滑，有少量黃色斑塊沉積在涂層表面，因此涂層顏色發(fā)生變化。在10% HCl 溶液中浸泡后的涂層表面布滿了直徑幾十微米的小泡，這也是涂層外觀上失去光澤的原因。

將在10% HCl溶液中浸泡后的樣件切割，觀察涂層截面形貌變化，掃描電鏡照片如圖4所示。從中可以看到，在10% HCl溶液中浸泡30天后，涂層內(nèi)由兩道涂裝工序造成的涂層界面處產(chǎn)生裂紋，涂層腐蝕破損從裂紋處開(kāi)始發(fā)生，并逐漸向基體表面延伸擴(kuò)展，涂層腐蝕后的產(chǎn)物不再致密，變得疏松，將涂層鼓起，因此體視顯微鏡下可以觀察到涂層表面鼓泡。由于涂層的腐蝕破壞是從涂層內(nèi)部開(kāi)始的，涂層表面并未破壞，沒(méi)有從涂層表面至基體的貫穿性腐蝕破壞，因此涂層仍能對(duì)基體起到一定的防護(hù)作用，沒(méi)有造成基體腐蝕，沒(méi)有紅銹滲出到涂層表面。

2.3" 模擬工況浸泡試驗(yàn)

柔性陶瓷涂層樣件在95 ℃鉀石鹽料漿中浸泡120天后的照片如圖5所示，在體視顯微鏡下觀察到的涂層表面形貌如圖6所示。

從圖5中可以看到，涂層整體完好，有少量銹點(diǎn)出現(xiàn)。從圖6中可以看到銹點(diǎn)由涂層制備過(guò)程中產(chǎn)生的針孔、氣泡處產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沖刷浸泡后，腐蝕介質(zhì)滲入涂層并直達(dá)基體金屬材料表面，引起基體金屬材料腐蝕，紅銹滲出到涂層表面。在施工中，要嚴(yán)格控制涂裝工藝，做好涂層質(zhì)量檢驗(yàn)，制備無(wú)缺陷的防護(hù)涂層是使涂層具有較好防護(hù)性能的重要保障。

2.4" 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鹽湖工業(yè)熱溶結(jié)晶生產(chǎn)氯化鉀工藝中濃密機(jī)底流泵管路主要輸送濃密機(jī)底流鉀石鹽料漿，輸送液體腐蝕性強(qiáng)，溫度高，流速快，并伴有固體顆粒物沖刷管壁。由于工況嚴(yán)苛，管路在工作過(guò)程中頻繁出現(xiàn)腐蝕穿孔而導(dǎo)致停產(chǎn)維修，不銹鋼管件的服役壽命僅為45天左右。在不銹鋼管件內(nèi)外壁均采用柔性陶瓷涂層進(jìn)行防護(hù)，照片如圖7所示。

采用柔性陶瓷涂層防護(hù)后的管接頭投入使用120天后，工作人員于檢修日卸下管接頭進(jìn)行檢查，涂層表面完好、無(wú)鼓泡、裂紋、銹點(diǎn)、剝落等缺陷，管內(nèi)壁涂層厚度有所減薄。投入使用180天后，管件內(nèi)壁涂層剝落。涂覆柔性陶瓷涂層可對(duì)管接頭起到有效的防護(hù)作用，服役壽命是未防護(hù)時(shí)的4倍，有效延長(zhǎng)了部件的使用壽命。

3" 結(jié)論

本文采用陶瓷粉為主要填料、改性環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物，制備了柔性陶瓷涂料，考察了涂層的機(jī)械物理性能和耐蝕性能，并對(duì)其在鹽湖苛刻工況環(huán)境中使用的設(shè)備的防護(hù)性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：柔性陶瓷涂層耐磨性能好，在噴砂鋼材表面附著力好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良；涂層的耐化學(xué)溶劑性能良好，室溫下，在10% NaCl溶液，10% NaOH溶液中浸泡30天后涂層表面無(wú)任何變化；在30% H2SO4溶液中浸泡30天后涂層有輕微變色，但是無(wú)鼓泡、脫落、銹蝕等缺陷產(chǎn)生；在10% HCl 溶液中浸泡30天后涂層起泡，無(wú)紅銹；涂層耐鹽湖介質(zhì)性能好，對(duì)鹽湖工業(yè)熱溶結(jié)晶生產(chǎn)氯化鉀工藝中濃密機(jī)底流泵管路起到較好的防護(hù)效果，有效延長(zhǎng)了部件的使用壽命。在施工過(guò)程中要注意嚴(yán)格控制涂層質(zhì)量，以保證防護(hù)效果。

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Application and Corrosion Resistance of Flexible Ceramic

Coatings in Potassium Salt Production Equipments

LI Xinghai1， GUO Yingfu1， YIN Yuejun2， ZHANG Xiangdong3， LIU Weihua4， ZHAO Huan4， ZHAO Jinling4

（1. Qinghai Salt Lake Sanyuan Potassic Fertilizer Co.， Ltd.， Golmud Qinghai 816099， China;

2. Shenyang Hangda Technology Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110043， China;

3. Shaanxi Lefu Construction Engineering Co.， Ltd.， Xi’an Shaanxi 710016， China;

4. Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences， Shenyang Liaoning 110016， China）

Abstract： During the development of salt lake resources， the corrosion of metal materials has caused great harm to the safe operation of equipment and the continuous and stable operation of production. Therefore， corrosion protection of equipment is one of the basic guarantees for the exploitation of salt lake resources. In this paper， the flexible ceramic coating which can be applied to the harsh working conditions of salt lake was developed with ceramic particles as the main filler and modified epoxy resin as the film forming material， and its basic physical mechanical properties and corrosion resistance were studied. The results showed that the flexible ceramic coating had good wear resistance， the adhesion on the sandblasted steel surface could reach 20.3 MPa， and the comprehensive mechanical properties were excellent. The coating had good resistance to chemical solvents. At room temperature， the coating surface did not change after soaking in 10% NaCl solution and 10% NaOH solution for 30 d. The coating was discolored slightly after soaking in 30% H2SO4 solution for 30 d， and bubbled after soaking in 10% HCl solution for 30 d. It can be applied to the inner protection coating of underflow pump of thickener in hot solution production of potassium chloride， which can effectively improve the service life of equipment.

Key words：" Salt lake chemical equipment; Flexible ceramic coating; Corrosion resistance