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耐高温防腐蚀涂层的性能及土木工程应用研究

时间:2018-10-19 23:07来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业旨在培养适应现代化建设需要,能够从事建设项目投资分析与控制、工程造价的确定与控制,建设工程招投标、工程造价的管理人才。
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业旨在培养适应现代化建设需要,能够从事建设项目投资分析与控制、工程造价的确定与控制,建设工程招投标、工程造价的管理人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究的背景及意义
随着人类社会的不断进步,在能源利用上现在人们也有了不同的广度和深度,这也正是体现现代人类文明不断进步的重要特征之一。我国是一个能源结构以燃煤为主的国家,这是由于中国少气、贫油、富煤的能源格局所导致的。由于这种格局的存在使得中国电力主要通过燃煤发电来提供[1,2]。但是煤在燃烧时会产生大量有毒、有害气体对环境造成污染,不利于中国社会的可持续发展。目前煤烟型污染是我国大气污染的主要特点,氮氧化物、硫氧化物以及粉尘等是我国大气的主要污染物[3,4],其中 SO2排放是我国大气污染和酸雨不断加剧的首要原因[5]。据相关资料显示,我国排放出来的工业废气中,大约 85%是由二氧化硫产生的[6]。截止 2012 年,我国的 SO2排放量增加了一倍,而全国 SO2排放总量的 60%由火电厂产生[7]。因此必须对燃煤发电厂中的二氧化硫或氮氧化物的产生和排放进行防治,在排放之前进行有效的脱硫除尘。目前,烟气脱硫工艺按脱硫形式和脱硫产物形态主要分为干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫三种[8]。其中湿法石灰石-石膏洗涤法(FGD)是应用最为广泛的工艺,其脱硫率可达到 90%以上[9]。这种方法脱硫率高,烟气处理能力大,并且腐蚀性介质也很大程度上得到脱离。但由于烟气在经过脱硫处理后湿度会有一定程度的增加并且温度也会相应的下降。因此脱硫后的烟气极易在烟囱的内壁凝露,从而产生酸性冷凝液对烟囱造成进一步的腐蚀。因此必须对其脱硫后的烟囱进行防渗、防腐保护[10]。目前主要手段是增设烟气热交换器(GGH)。未脱硫前直排烟气的温度可高达 130~180℃[11],,瞬间温度可达到 200℃以上。经过 FGD 洗涤后,烟气温度降至 45℃左右[12],此时烟气温度处于硫酸和亚硫酸露点温度以内,湿度大,冷凝结露现象非常严重。这种潮湿环境下产生的腐蚀性液体对烟囱内壁有很强的腐蚀性。当加设 GGH 时,烟气温度可以达到 80℃左右[13],略低于或接近酸的露点温度,情况有所改善。但是烟囱壁上仍会产生水膜,此时水膜处于持续的蒸发与吸收中,形成了一种动态平衡过程。这种过程会导致水膜内的酸浓度不断累积升高从而对烟囱内壁造成一定程度的腐蚀。可以看出湿法脱硫处理尤其不设烟气加热系统(GGH)的烟囱内壁,由于长期处于潮湿以及充满腐蚀性物质的环境中,混凝土结构易发生开裂,表层腐蚀脱落以及内部钢筋锈蚀等问题,严重影响结构的耐久性。因此,烟囱在脱硫后所面临的防腐成为急需解决的问题,需要一种能够有效保护混凝土结构免受腐蚀性物质损害的涂层。该涂层不但要适应高温-低温的变化,干-湿交替的变化,还得能够抵抗酸性物质的腐蚀这样才能够与混凝土结构协同作用共同满足结构正常使用的需求。
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1.2 国内外研究进展
 
1.2.1 国内外脱硫烟囱防腐内衬材料研究现状
烟囱内衬是烟囱防腐的第一道也是最关键的一道屏障。特高温烟道烟囱的防腐发展,从最初的 OM 涂料、耐高温涂料和 KP1 胶泥等到以乙烯基酯树脂为主要基材的玻璃钢衬里、玻璃鳞片胶泥衬里和胶泥作粘结的砖板衬里,再到现如今乙烯基酯树脂鳞片胶泥玻璃钢复合、乙烯基胶泥粘结玻璃钢作隔离的工业陶瓷砖板衬里、柔性喷涂鳞片衬里方案等[14]。目前,主要的防腐衬里有三种:第一种是耐腐蚀性能优异的合金材料,主要采用钛板、镍基合金板或铁-镍基耐蚀合金板等作为烟囱的内衬;第二种是将防腐块材粘贴到烟囱的内壁上,比如耐酸陶瓷板等;第三类是将膜状防腐材料涂刷或者粘贴至基材表面,比较典型的有钾水玻璃和钠水玻璃耐酸砂浆层内衬等。但是第一类成本过高不太适用于目前大部分钢筋混凝土烟囱的改造。目前对烟囱内衬防腐的改造主要是在旧有钢筋混凝土烟囱上进行改造,而主要的解决方案有特种耐酸胶泥、玻璃鳞片胶泥、发泡耐酸玻璃砖和防腐涂料等[15]。而发泡耐酸玻璃砖中“宾高德”性能较好,由美国汉高公司独家经营,由硼硅玻璃发泡制成,重量轻,具有耐腐蚀和保温的双重性能。并在利港电厂排烟管的工程应用中效果良好;再者是玻璃鳞片胶泥,在国内外已经有应用乙烯基树酯鳞片胶泥的案例,并表现出了优异的耐磨性能、充足的粘结强度、较高的抗渗透性以及极好的耐腐蚀性能。由于该类胶泥中掺入 10%~40% 不同直径的玻璃鳞片,这些玻璃鳞片在树脂中呈扁平型,可以连续的平行重叠的排列在胶泥中,形成致密的防渗层结构。而 SL300 特种耐酸胶泥于2001 年研制成功,由无机耐高温耐酸填料,复合有机、无机结合剂组成。涂层强度高,可经受介质高温冲击和气流长期冲刷。即使在 400℃高温中,仍具有优良的耐磨性能;耐酸性介质腐蚀性能好,胶泥干燥后在液态和气态酸性介质中有良好的化学稳定性,在 200℃高温中耐酸性能非常稳定,并且在 400℃高温中仍然具有一定的耐酸性能。
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2 水性聚氨酯的制备及性能分析
 
2.1 引言
聚氨酯是聚氨基甲酸酯(polyurethane)的简称,一般由二元或多元异氰酸酯和含有活泼氢的化合物经过逐步聚合反应聚合而成[57,58]。聚氨酯具有柔韧性好、附着力强、耐腐蚀性以及具有良好的物理力学性能等优点[59],被普遍的应用于涂料及胶黏剂等领域[60-63]。近几年,随着相关环保法律法规的健全和安全、卫生以及环境保护的要求,聚氨酯水性化的需求也日益受到重视,很多国家均制定了相关的消防法规和溶剂法规。因为水是作为水性聚氨酯的介质,比起溶剂型聚氨酯具有气味小、环保、低能耗等优点[64],因此,水性聚氨酯的研究与开发将成为聚氨酯领域中活跃的发展方向[65]。水性聚氨酯制备的原料主要有低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂和相应的助剂等。其制备包括两个步骤:(1)由低聚物二醇、二异氰酸酯、扩链剂等反应,形成高、中高分子量的聚氨酯预聚体;(2)在剪切力作用下预聚体分散在水中,形成聚氨酯溶液或乳液体系。本章工作主要分为三项:第一项以聚乙二醇、聚丁二醇(PTMG)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)以及硅烷偶联剂(kh550)为原料制备水性聚氨酯乳液。其中通过分别调节亲水基团非离子(聚乙二醇)占多元醇中的含量和硅烷偶联剂掺量制备不同性能的乳液,考察非离子含量以及硅烷偶联剂含量对乳液自身性能和乳液与钠水玻璃相容性的影响。
.........
 
2.2 水性聚氨酯的制备
试验中不同反应物在最终产物中所占的质量分数对反应有着较大的影响,其中初始反应 R 值(n-NCO : n-OH),亲水基团非离子含量,亲水扩链剂阴离子二羟甲基丙酸(DMPA)以及硅烷偶联剂对反应及产物有着较大影响。此外其他物质,如有机溶剂、催化剂和中和剂等也对反应有着较大的影响。目前市面上水性聚氨酯产品固含量在 20%-40%,本试验设计的理论固含量为30%,除极个别配比因为加入硅烷偶联剂粘度增大适当降低了固含量在 20%-25%左右,实际固含量以试验测试结果为准,在反应过程中,粘度过大难以搅拌时,往体系中加入有机溶剂来降低粘度,并添加催化剂促进反应正向进行,具体掺量见下表2-3,2-4,2-5。本试验制备思路主要分为三项;第一项以聚乙二醇、聚丁二醇(PTMG)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二羟甲基丙酸(DMPA)以及硅烷偶联剂(kh550)为原料制备水性聚氨酯乳液。其中通过分别调节亲水基团非离子(聚乙二醇)占多元醇中的含量和提高阴离子含量二羟甲基丙酸(DMPA)掺量下变化硅烷偶联剂掺量制备不同性能的乳液,考察非离子含量以及硅烷偶联剂含量对乳液自身性能和乳液与钠水玻璃相容性的影响。
.........
 
3 水性聚氨酯/硅酸盐复合涂层制备.......19
3.1 引言..............19
3.2 试验材料及仪器.....20
3.3 试验方法及试验设计........20
3.4 试验结果与分析.....22
3.5 水性聚氨酯种类对涂层性能的影响......30
3.6 本章小结......32
4 水性聚氨酯/硅酸盐复合涂层的性能及微观分析.....34
4.1 引言..............34
4.2 涂层性能测试方法............34
4.3 试验结果与分析.....36
4.4 本章小结......47
5 耐高温防腐蚀涂层应用技术.....49
5.1 引言..............49
5.2 在耐温防腐蚀材料方面的应用背景......49
5.3 涂层施工工艺改进............49
5.4 工程性能检测.........54
5.5 本章小结......55
 
5 耐高温防腐蚀涂层应用技术
 
5.1 引言
本章主要进行了耐高温防腐蚀涂层在应用中的初步探索,分析了施工中酸化处理对涂层性能的影响以及在如何提高涂层粘结强度方面进行了较为详细的试验。并对施工工艺流程进行了初步的探索。
 
5.2 在耐温防腐蚀材料方面的应用背景
所谓耐温防腐蚀材料就是某种耐温防腐蚀骨料与钠水玻璃胶黏剂混合成型后的材料,这种材料具备很好的耐高温性能以及耐化学物质腐蚀性能,但是钠水玻璃成型的物质普遍耐水性较差,以及粘结力不够等问题。本文通过对传统钠水玻璃涂层改性使其综合性能有了很大提升。一般应用于火电厂烟囱这种对耐温性、耐腐蚀性有一定要求的领域。传统火力发电厂烟囱直排烟气的温度可高达 130~180℃,瞬间温度可达到200℃以上,在经过 FGD 洗涤后,烟气温度降至 45℃左右[71,72],此时远低于硫酸和亚硫酸露点温度,湿度大,冷凝结露现象非常严重。在这种有一定温度以及潮湿环境下产生腐蚀性的液体对烟囱内壁有很强的腐蚀性。通过加设 GGH 来使烟气温度达到 80℃左右,此时略低于或接近酸的露点温度,结露情况有所缓解。但是烟囱壁上仍存在明显的水膜,该水膜处于不断蒸发与吸收的动态平衡过程中,造成水膜内的酸浓度提升,反而会对结构造成更加严重的腐蚀。对此急需一种烟囱的防护材料。而在烟囱内壁涂覆耐高温耐腐蚀涂层不失为一种有效的解决方式。
........
 
结论
 
本文通过三种不同的制备思路合成所需要的水性聚氨酯,并对其性能进行测试,优选出性能优异的水性聚氨酯。以涂层耐高温、耐酸性能测试以及常规的物理机械性能为依据,并且考虑到水性聚氨酯与硅酸盐相容性这个关键问题,确定了水性聚氨酯的掺量以及填料的种类和用量。并进行优化试验,最终确定最优的配合比并在此基础上探究不同种类水性聚氨酯对涂层性能的影响。最后,对改性涂层各项性能进行测试分析并同未改性涂层进行对比分析。此外还利用 SEM、EDS、TG 和 MIP等表征手段,对改性效果的原因机理进行研究分析。并对施工工艺进行初步探索。本文主要结论如下:
(1)聚乙二醇分子量为 2000,R 值为 2 和分子量为 1000,R 值为 2 时的水性聚氨酯与水玻璃相容性方面表现良好。
(2)填料优选试验表明:以 60%的铸石粉和 40%的石英粉复配作为细填料,可弥补单一填料粒径比较单一的缺陷,有效提高涂层强度;石英砂作为粗填料可以有效提高涂层耐温性能。在涂层胶黏剂中添加 10%的水性聚氨酯可改善涂层性能,涂层常温下抗折强度 7.67MPa,抗压强度 27.45MPa,比未加入时强度分别提升了6.8%和 33.4%。且耐温后和耐酸后的抗压强度变化比值分别为 1.10 和 0.92,表明耐温性和耐酸性能优良。
(3)经正交优化试验得出涂层最终配合比为:胶结料中水性聚氨酯占比 10%,纳米二氧化硅占比 4%,其余为水玻璃;胶结料与填料质量比为 3:5 时,涂层抗折和抗压强度分别是10.00MPa和27.9MPa,比未改性涂层强度分别提升了57%和25.1%。且耐温、耐酸和耐水后性能稳定,比未改性涂层抗压强度分别提升了 34.1%、32.4%和 37.3%,改性效果明显。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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