某铀矿山离子交换塔防腐衬里选材研究

王振北，王 库，王向荣

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

在中国铀水冶行业中，根据不同的腐蚀环境，化工设备的非金属衬里材料多种多样，有衬陶瓷、衬高分子塑料、衬玻璃钢等[1]。非金属衬里既能解决介质腐蚀问题，也可大幅节约设备制造成本；但随着使用时间的延长，衬里腐蚀老化行为凸显，严重者甚至影响正常生产。

某地浸铀矿山服役的离子交换塔，其衬里材料为聚烯烃(Polyolefine，以下简称PO)[2-3]，运行不到一年即发生衬里局部脱衬、磨损变薄、被腐蚀穿孔等现象，进而导致设备被腐蚀失效，多塔停止运行。为此，基于该离子交换塔介质成分，选取不同材料的衬里进行腐蚀试验，选出适用于该矿山离子交换塔的衬里材料，为设备的长期良好运行和矿山的正常生产提供保障。

综合考虑施工、造价和耐腐蚀性能等因素，选取PO、环氧玻璃钢(型号为E44)、玻璃鳞片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001等5种材料进行试验。参考《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》(JB/T 7901—1999)[4]，依据《色漆和清漆 拉开法附着力试验》(GB/T 5210—2006)[5-6]、《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》(GB/T 1768—2006)[7-8]、《色漆和清漆 涂层老化的评价 缺陷的数量和大小以及外观均匀变化程度的标识》(GB/T 30789—2015)[9-10]，进行试板腐蚀试验，通过对比腐蚀试验前后材料的附着力大小、耐磨性和老化程度等，对5种材料进行研究，选出最优衬里材料。

1 试验部分

环境温度为23 ℃，相对湿度为50%。

试板：1)未经腐蚀的钢衬PO、环氧玻璃钢、玻璃鳞片、ANTO1001、ANTO6001试板若干块；2)腐蚀后的钢衬PO、环氧玻璃钢、玻璃鳞片、ANTO1001、ANTO6001试板若干块(来自1.1试验)。上述两组试板的基材均用120目的砂纸进行手工打磨处理后再进行衬里，试板均来自同一厂家、同一批次，尺寸均为100 mm×100 mm，衬里厚度均为3 mm。

1.1 试板腐蚀试验

将以PO、环氧玻璃钢、玻璃鳞片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001材料为衬里的试板浸泡在试验介质中，模拟离子交换塔内部腐蚀条件，研究5种材料在介质中的腐蚀行为。

1.1.1 试验条件

生产中，离子交换塔内温度约为20～25 ℃；塔内介质主要为100～120 g/L的硫酸，并含微量氯离子。为取得较明显的试验效果，确定试板腐蚀试验条件：试验温度为23 ℃；试验介质为含有硫酸和氯离子的溶液，其中硫酸质量浓度为200 g/L，氯离子质量浓度为1 g/L。

主要试验设备有恒温箱和电子称。试验材料主要包括挂片试板、无水乙醇以及试验介质。

1.1.2 试验方法

根据试验条件用无水乙醇对试板进行除油、除水，待干燥后，称量各试板质量并记录；然后将试板按材料分别固定在不同的支架上，各试板间留有一定间距；将固定好试板的支架放入恒温箱中，加入试验介质，使试验介质液面超出试板30 mm，静置90 d。试验期间每7 d更换1次溶液，试板不做处理；试验结束后，取出试板，用无水乙醇除油、除水并干燥后称重，观察试板形貌变化，备用。

1.2 附着力试验

1.2.1 试验设备及材料

试验设备为万能材料试验机。随机选取腐蚀后和未经腐蚀的每种材料试板各6块。

1.2.2 试验方法

对试板进行拉开法附着力试验。

使用单试柱法，将直径为20 mm的试柱用AB胶黏结在试板表面，固化后围绕试柱将试板切割至底材，然后将试板固定在试验机上，施加拉伸应力，该应力以0.8 MPa/s的速度稳步增加，直至衬里或试柱被破坏，记录破坏力并计算破坏强度。破坏强度的计算公式为

σ=F/A，

(1)

式中：σ—破坏强度，MPa；F—破坏力，N；A—试柱面积，mm2。

1.3 耐磨性试验

1.3.1 试验设备及材料

主要试验设备：泰伯耐磨仪；砝码；天平(精度0.1 mg)。

1.3.2 试验方法

对试板进行旋转橡胶砂轮法耐磨试验，随机选取腐蚀后和未经腐蚀的每种材料试板各3块。试验压力负载为1 000 g，砂轮型号为CS-10，运行转速为60 r/min，运行转数为1 000 r。分别记录试验前后各块试板的质量。

1.4 老化评定

随机选取腐蚀后和未经腐蚀的每种材料试板各3块，对试板进行老化评定试验。应用目测法进行起泡、生锈、开裂和剥落等级评定；应用胶带法进行粉化等级评定[9]。

2 试验结果与分析

2.1 试板腐蚀前后外观形貌变化

腐蚀试验前后，衬PO和衬ANTO1001的试板外观未发生明显变化；其余3种材料试板的形貌变化如图1～6所示。可以看出：衬环氧玻璃钢的所有试板的内部基材完全被腐蚀(图1、图4)，且表面由浅黄色变为暗红色，颜色的变化是因为内部金属基材被渗入的介质腐蚀产生了氧化铁；有2块衬环氧玻璃鳞片试板的表面和边缘出现开裂(图2、图5)，导致内部基材被腐蚀，其余4块的一角有开裂现象，说明在介质作用下，环氧玻璃鳞片易出现裂纹；6块衬ANTO6001的试板内部基材被完全腐蚀，且衬里在棱角部位完全断裂，出现“两张皮”现象(图3、图6)，说明ANTO6001材料在局部曲率变化较大的部位易产生开裂。

图1 衬环氧玻璃钢试板腐蚀前后形貌变化

图2 衬环氧玻璃鳞片试板腐蚀前后形貌变化

图3 衬聚氨酯涂料ANTO6001试板腐蚀前后形貌变化

图4 衬环氧玻璃钢试板基材被腐蚀情况

图5 衬环氧玻璃鳞片试板被腐蚀情况

图6 衬ANTO6001试板基材被腐蚀情况

通过试板腐蚀试验可以得出：PO和ANTO1001材料的耐腐蚀性能最好；ANTO6001材料可耐介质腐蚀，但在局部拐角处易断裂，给衬里施工带来一定难度；环氧玻璃钢和玻璃鳞片材料的耐腐蚀性能差，易被介质渗透造成基材被腐蚀，从而导致设备被腐蚀失效。

2.2 试板腐蚀前后附着力变化

试板腐蚀前后附着力试验结果见表1。由于衬环氧玻璃钢和衬ANTO6001试板内部基材被完全腐蚀，因此未进行衬环氧玻璃钢和衬ANTO6001试板腐蚀后的附着力试验。由表1可看出，未经腐蚀的试板衬里的附着力从大到小依次为衬ANTO1001、衬ANTO6001、衬环氧玻璃钢、衬玻璃鳞片、衬PO；腐蚀后衬里的附着力从大到小依次为衬ANTO1001、衬PO、衬玻璃鳞片。衬玻璃鳞片的破坏类型为涂层的内聚破坏，而其余4种材料的破坏类型均为涂层与胶黏剂间的附着破坏[5]。衬PO与衬ANTO1001腐蚀后破坏强度增大，可能是由于溶胀作用使得材料密度增加，进而增强了与胶黏剂之间的黏接强度导致破坏增强。衬玻璃鳞片腐蚀后破坏强度降低，与其破坏类型有关，说明其材料内部可能存在高分子链的断裂行为。综上所述，5种衬里材料中，ANTO1001的附着性能最好。

表1 腐蚀前后衬里附着力对比

2.3 试板腐蚀前后耐磨性变化

考虑到不同材料的密度不同，试验中将其磨耗量折算为体积磨损。5种衬里材料腐蚀前后的耐磨性试验结果见表2。可以看出，腐蚀试验后，环氧玻璃钢的耐磨性明显降低；而其余4种材料的耐磨性有不同程度提高，说明材料表面可能发生了溶胀。结合腐蚀后试板的形貌变化可以得出，环氧玻璃钢被腐蚀情况最为严重，ANTO1001腐蚀试验前后的耐磨性均为最佳。

表2 腐蚀前后衬里耐磨性对比

2.4 试板老化行为对比

腐蚀试验后，5种衬里材料的老化行为见表3。可以看出，5种材料未发生明显的起泡、剥落和粉化现象；但衬环氧玻璃钢的试板发生了严重的生锈，衬玻璃鳞片的试板发生了不同程度的开裂现象。PO、ANTO1001和ANTO6001材料的抗老化性能基本满足要求。

表3 腐蚀后衬里材料的老化行为评定

3 ANTO1001材料耐腐蚀性验证

通过上述试验，得出ANTO1001的耐介质腐蚀性能最优。为进一步验证材料的耐腐蚀性，将ANTO1001应用于实际生产环境下进行试验。由于离子交换塔原衬PO材料的清除难度大，因此将ANTO1001材料涂刷于原PO衬里之上，先后进行了实验室和生产现场验证试验。

3.1 实验室验证

3.1.1 附着力验证

附着力测试内容与1.2相同，在衬PO试板上涂刷ANTO1001材料后进行试验。测量得出，ANTO1001在PO上的附着力达到了2.25 MPa，大于PO在钢板上的附着力(1.40 MPa)，因此ANTO1001涂刷在PO基础上，使得PO更加不易脱衬。

3.1.2 局部耐腐蚀验证

考虑到2种材料的交界处易发生介质渗入而产生ANTO1001与PO脱衬，试验验证了衬PO层局部涂刷ANTO1001材料的耐腐蚀情况，腐蚀试验前后试板形貌如图7所示。可以看出，腐蚀试验前后试板表面未发生明显变化，且在2种材料交界处未发生脱衬现象。

图7 钢衬PO基础上局部涂刷ANTO1001

3.2 生产现场验证

将一段新管件首先衬PO，然后在PO基础上涂刷ANTO1001涂料，并在法兰处做翻边处理；然后将管件安装在离子交换塔底部出料管路上进行测试。

离子交换塔正常运行1年后，将管件拆卸，管件受介质腐蚀情况如图10所示。可以看出，除了法兰翻边处有局部脱衬外，ANTO1001涂料整体耐腐蚀效果较好，这进一步验证了ANTO1001涂料的优异性能。

图8 钢衬PO管件涂刷ANTO1001

4 结论

PO、环氧玻璃钢、玻璃鳞片、聚氨酯涂料ANTO1001、聚氨酯涂料ANTO6001在腐蚀试验前后的附着力变化不明显，腐蚀前后耐磨性除环氧玻璃钢外均有所提高。ANTO1001涂料的耐腐蚀性能、附着力性能、耐磨性以及抗老化性最优；PO材料的附着力和耐磨性欠佳，是造成离子交换塔衬里脱落、腐蚀穿孔的原因。环氧玻璃钢材料容易被介质渗透，造成严重腐蚀。玻璃鳞片和ANTO6001在曲率小的局部易产生开裂，进而造成基材腐蚀。

通过实验室和生产现场试验，验证了ANTO1001涂料的耐腐蚀性能较好，研究结果为离子交换塔防腐选材提供了方向。