TRT葉根防腐涂料的性能研究

　　摘 要： 高爐煤氣余壓透平發電裝置(TRT)在運行過程中，葉根密封部位易發生嚴重腐蝕。采樣市售密封膠進行調研，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。研究發現：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;涂料的不揮發物含量為97%(質量分數)和85%(體積分數);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。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是工業和信息化部主管、中國電子信息產業發展研究院主辦的國家級科技學術類期刊。本刊主要面向工業技術創新領域的有關工業主管部門、工業企業、科研創新的學術交流平臺、技術創新成果的宣傳轉化園地和戰略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業技術創新，促進工業轉型升級，服務創新國家建設。

　　關鍵詞： 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電裝置(簡寫TRT)是將煤氣的熱能轉化為機械能進行發電，從而達到能量回收目的的一種節能裝置。自1974年以來，高爐煤氣余壓透平發電過程中的除塵工藝由濕法除塵工藝逐漸轉變為干法布袋除塵工藝，TRT也由原來的濕式裝置相應改變為干式裝置。

　　干式TRT的使用環境復雜，除了煤氣中的硫酸根、氯離子等腐蝕介質之外，還有高爐煉鐵除塵系統帶來的大量粉塵。粉塵與腐蝕產物混合，對葉片和榫槽的相對滑動起到機械咬合作用，導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研，首先按照上述要求，初步篩選出某涂料廠生產的硅橡膠涂料;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，隨著煤氣發電技術的發展，TRT工藝環境愈加嚴苛，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能力。

　　我國開發的TS747高溫密封劑為雙組份反應型硅橡膠。該密封膠最高耐溫350℃，拉伸強度為2～3 MPa，保質期為1年，具有優異的彈性、高溫密封性，常用于汽輪機等的密封。我國研發的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。

　　調研可知，目前市場上大多數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備的外壁防腐，產品僅受到了耐鹽霧測試，涂料的耐酸性未知。用于嚴苛環境(如脫硫裝置、氯化銨生產裝置等)的涂料多采用噴涂甚至高壓/無氣噴涂的方式進行涂裝，而葉根和榫槽的結合部位并非平面，只能選擇可以刷涂的涂料。通過大量調研，初步篩選出某涂料廠生產的硅橡膠涂料。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。

　　2.2 主要儀器及設備

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

　　(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;

　　(3)TF1-18/160型酸化釜，大連科茂實驗設備有限公司生產;

　　(4)JC101-2AD型電熱鼓風干燥箱，南通嘉程儀器有限公司生產;

　　(5)QTY-32型漆膜圓柱彎曲試驗儀，天津圣鑫達機器設備有限公司生產;

　　(6)L360型涂層測厚儀，深圳吉泰自動化技術有限公司生產;

　　(7)電子天平(ME204E)，瑞士梅特勒公司生產;

　　(8)六角濕膜梳(MRIE-Z4141)，英國易高公司生產。

　　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，腐蝕介質為飽和NH4Cl溶液(用HCl調節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。涂料的不揮發物含量為97%(質量分數)和85%(體積分數)。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。

　　假設涂料的固化分兩步依次進行：首先是小分子物質揮發(物理變化)，之后是涂料分子發生交聯(化學變化)。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，只有小分子物質的揮發，因此，涂層的厚度與體積均為固化前的85%，涂層的質量為固化前質量的97%。通過質量和體積，可計算出涂層密度。第二步，固化完成后，涂料的各項參數均可直接測定得出。對比固化前后的涂料參數，如表1所示。由表1可知，固化過程中，揮發導致涂料質量減小了2.7%，交聯導致涂料質量減小了22.4%。因此，涂層質量降低的主要原因是內部發生交聯。同理可知，涂料的密度增加是由小分子物質揮發所導致的，體積下降則是二者共同作用的結果。

　　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程度較高，邊緣的硅橡膠向內聚合，導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 結論與展望

　　TRT工藝的進一步發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展方向。本文通過對市售密封膠的調研，初步篩選出某涂料廠生產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。

　　雖然具有行業針對性、可工業化量產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的大力支持，防腐涂料行業資源將不斷整合，具有市場影響力的高端密封膠將會被逐步開發出來。

　　參考文獻

　　[1] 朱育元. TRT透平機的修復[J]. 寶鋼技術， 1992(3)： 12-16.

　　[2] 敬松. 單組分改性有機硅密封材料[J]. 有機硅材料及應用， 1994(2)： 23， 26-28.

　　[3] 漆膜、膩子膜干燥時間測定法： GB/T 1728-1979[S].

　　[4] 色漆和清漆 漆膜厚度的測定： GB/T 13452.2-2008[S].

　　[5] 色漆和清漆 彎曲試驗： GB/T 6742-2007[S].

　　[6] 色漆和清漆 通過測量干涂層密度測定涂料的不揮發物體積分數： GB/T 9272-2007[S].

　　[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].