氣凝膠在保溫層下腐蝕(CUI)防治之應用

 

刊登日期:2016/11/5
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二氧化矽氣凝膠已是世界上公認最好的保溫材料之一,由於二氧化矽多樣化的表面改質能力,藉由疏水化改質後的氣凝膠保溫材,不僅可保持原有的高隔熱效果,其斥水能力在保溫層下的腐蝕(CUI)防治上更具應用潛力。本文除了討論氣凝膠在 CUI 防治上的應用外,也設計氣凝膠保溫材並實測其 CUI 防治效果,期望在研發氣凝膠保溫材的同時,可建立 CUI 防治效能測試的驗證平台,以提升台灣在 CUI 防治產品的發展。
 
CUI 持續影響全球石化工業
保溫材料下的腐蝕(CUI)是指外層包覆保溫材的管線或設備(組成主要為碳錳鋼、低合金鋼及奧氏體不鏽鋼等),在水分或具腐蝕性物質進入後,造成的外部腐蝕現象。直至今日,CUI問題仍持續影響全球石油化學工業,造成巨大的工安問題與經濟損失。碳鋼最容易發生CUI的溫度範圍在 -4~175˚C,在水分蒸發前,每提升 15~20˚C 會使腐蝕速率加倍,若設備具有週期性的溫度變化,水分經由重覆蒸發凝結,會造成其中水溶腐蝕性物質(主要為環境或保溫材中溶出之氯化物及硫酸鹽)的濃度劇烈變化,腐蝕性物質的局部濃縮會加速 CUI 的發生。
 
目前多數的研究皆顯示,CUI 發生的原因是水、水中的雜質及溫度的共同作用。CUI 問題一直存在,近幾十年所引發的大量工安危害促使相關研究的進行。在管線系統保溫或保冷,一般而言,主要是製程控制所需,除了維持操作系統的溫度與節省能源外,也可阻止外界有害物質接觸金屬表面及防止操作人員因觸碰造成燙傷或凍傷,在輸送流體時更可以降低噪音,適當的保溫材選用還有防火披覆的功效。在 NACE RP0198-98 規範內提及,必須拆除不必要的保溫或保冷材,以降低發生 CUI 的風險,因此,保溫材的正確設計可以參照 ASTM C1696-16。
 
在需要保溫的碳鋼或不鏽鋼管線外壁進行保溫材包覆時,保溫材外部會包覆鋁皮以固定保溫材,但在一般施作保溫材時卻無法避免包覆缺陷的問題,例如在彎角、支撐或人孔蓋等較難施作的位置,常存在著包覆缺陷,而外部鋁皮的接合處在經過長時間的使用下易產生縫隙,造成大氣中的水氣、雨水、汙染物質和腐蝕性物質滲透進入保溫材內。長時間的使用下,水分和鹽分(氯化物及硫酸鹽)不易排出,在停機歲修和運轉的溫度變化下,管線外壁的腐蝕問題因此產生。



圖一、碳鋼表面的CUI電化學反應
 
氣凝膠的CUI 防治發展
John Williams等人藉由將各式保溫材包覆在沒有塗層的碳鋼管上,以模擬發生CUI的環境,並將之暴露於戶外環境下 85天,比較玻璃纖維、膨脹珍珠岩、矽酸鈣、岩棉、WRG岩棉、Cryogel Z、Pyrogel XT及Pyrogel XT包覆岩棉後,Cryogel Z具有最好的CUI防治效果,其他保溫材則因吸水性而有明顯的管線腐蝕發生,此結果顯示具疏水性的氣凝膠毯在CUI防治上有顯著效果。



圖三、保溫材CUI測試結果
 
工研院將抗腐蝕PU導入二氧化矽氣凝膠結構中以製備複合氣凝膠玻纖毯,並經由疏水改質大幅提升其疏水性,達到吸水率 0 wt% (ASTM C1511)及水接觸角 160˚。除此之外,工研院也依照……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:林其瑞 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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