TRT葉根防腐涂料的性能研究

　　摘 要： 高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(TRT)在運行過程中，葉根密封部位易發(fā)生嚴重腐蝕。采樣市售密封膠進行調(diào)研，初步篩選出可施工時間為0.25～0.5 h、固化時間大于1 h、耐飽和NH4Cl腐蝕的硅橡膠涂料，通過理化性能、耐腐蝕性和實際附著性測定，對涂料進行適用性評價。研究發(fā)現(xiàn)：1)理化性能方面，涂料的表干時間為40 min，實干時間為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)量分數(shù))和85%(體積分數(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，拉伸剪切強度由1.13 MPa輕微下降至1.09 MPa;3)實際附著性方面，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，涂層對葉根和榫槽的覆蓋率大于80%，可以對金屬基材起到較好的保護作用。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。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是工業(yè)和信息化部主管、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院主辦的國家級科技學(xué)術(shù)類期刊。本刊主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的有關(guān)工業(yè)主管部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新的學(xué)術(shù)交流平臺、技術(shù)創(chuàng)新成果的宣傳轉(zhuǎn)化園地和戰(zhàn)略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，服務(wù)創(chuàng)新國家建設(shè)。

　　關(guān)鍵詞： TRT;葉根密封;硅橡膠;理化性能;耐腐蝕性;附著性

　　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)化為機械能進行發(fā)電，從而達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，對葉片和榫槽的相對滑動起到機械咬合作用，導(dǎo)致樅樹型葉根的拆卸費時費力。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，會在葉片表面形成一層酸性水膜，對葉片表面造成透水腐蝕。此外，動葉片的壽命一般為4～5年，更換較為頻繁。為了便于拆裝，動葉片的葉根與榫槽之間必須采用松裝的裝配方式，同時在根部涂抹高分子密封膠，以達到防止縫隙腐蝕、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：可施工時間0.25～0.5 h，固化時間大于1 h，耐飽和NH4Cl腐蝕。針對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，對涂料的理化性能、耐腐蝕性和實際附著性進行測定，從而對其在TRT葉根防腐的適用性進行評價。

　　1 涂料性能調(diào)研

　　20世紀90年代，文獻[1]提出，在動葉片和靜葉片根部刷涂#200環(huán)氧樹脂對榫槽進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)境愈加嚴苛，對密封材料的要求也越來越高。

　　國外某公司開發(fā)了單組分改性有機硅密封材料[2]。中高模量級密封膠的表干時間為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個月，滿足工況環(huán)境對密封材料基本性能的要求。此外，該密封膠對被涂裝物的振動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。下文對該涂料的理化性能和耐腐蝕性進行測試，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，確認該涂料的適用性。

　　2 試驗

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

　　(2)電液伺服萬能試驗機(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，大連科茂實驗設(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儀，天津圣鑫達機器設(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 評價方法

　　(1)表干時間：按照GB/T 1728-1979[3]標準進行測定(試驗方法為接觸法)。

　　(2)實干時間：按照GB/T 1728-1979[3]標準進行測定(試驗方法為刀片法)。

　　(3)濕膜厚度：按照GB/T 13452.2-2008[4]標準進行測定。

　　(4)柔韌性：按照GB/T 6742-2007[5]標準進行測定。

　　(5)干膜密度：按照GB/T 9272-2007[6]標準進行測定。

　　(6)不揮發(fā)物含量：按照GB/T 9272-2007[5]標準進行測定。

　　(7)耐腐蝕性：試驗溫度為100℃，試驗時間為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]標準進行制備。

　　(8)模擬拆卸試驗：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，涂料的表干時間為40 min，實干時間為100 min。涂料的不揮發(fā)物含量為97%(質(zhì)量分數(shù))和85%(體積分數(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，可計算出涂層密度。第二步，固化完成后，涂料的各項參數(shù)均可直接測定得出。對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)合強度降低，拉伸剪切強度由1.13 MPa輕微下降至1.09 MPa。腐蝕試驗后，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機上，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。可以看出，涂層對葉根和榫槽表面的覆蓋度超過80%，可以對金屬基材起到較好的保護作用。

　　4 結(jié)論與展望

　　TRT工藝的進一步發(fā)展對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，表干時間為40 min，實干時間為100 min;

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

　　(3)硅橡膠涂層對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大和我國對新材料研發(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被逐步開發(fā)出來。

　　參考文獻

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