为工艺容器选择适合使用的内衬系统

选择合适的船舶内衬系统是一个过程，当向资产所有者提供可用的可论证的资格预审数据时开始衬里以及他们在设备运行环境下的能力。与所有商业部门一样，油气行业在选择适合服务的解决方案时，根据几十年的操作经验和对收益和风险的认识，开发了材料资格预审测试，并设置了合格/不合格值。

典型的行业测试要求

材料资格预审要求因资产所有者或运营方而异，但作者认为，以下清单提供了几乎每个客户的船舶内衬测试规范中可找到的关键基本国际测试:

1. 附着力
2. 浸没式电阻
3. 渗透阻力
4. 动力阻力
5. 爆炸减压
6. 低温热冲击
7. 抗化学腐蚀
8. 磨损/耐腐蚀性

在任何可能的情况下，所有的测试程序都应符合国际标准化的方法，如ISO提供的方法，NACE,ASTM等等。具体的测试条件，如介质、测试温度和压力、样品数量和尺寸、实验室认证等应由客户或设计机构与衬里制造商讨论。

在这里，我们将讨论上述规范1至5，然后我们将完成基于特定场地和工艺服务类型的配件衬里系统选择的其余国际测试类型的讨论。(要了解总体概况，请阅读过程容器内部腐蚀管理导论．)

附着力

粘附强度定量地表征了应用于刚体上的衬里的性能底物指船舶在正常和倾覆条件下能够承受周围环境施加的载荷或应力。衬里的粘接强度会受到多种因素的影响。

例如，快速减压会使内衬内的溶解气体膨胀速度快于扩散速度。结果，在粘结线上的衬里将受到影响拉力．如果这种力大于衬里的粘合强度，它就会泡或过早失败。这就是为什么许多资产所有者将测试面板上的粘附性测试作为容器内衬应用过程的一部分。

衬里的粘合强度通常是根据ASTM D 4541通过小车拉出来确定的。¹该试验确定衬里在分离前所能承受的最大垂直力。

的扯下附着力试验使用这些元素:

• 一种测试装置，通常被称为手推车
• 一种胶粘剂，用来把推车粘在衬里上
• 待测衬里
• 底物

一类被称为便携式脱拉试验机(图1)的设备被用来在相对于衬底的垂直方向上拉小车。失效可能发生在衬里本身、胶粘剂、胶粘剂/衬里界面、衬里/衬底界面或实际衬底内部最薄弱的平面上，通过检查断口面可以明显发现。

图1:用一种拉扯试验机进行附着力测试(D.T. Greenfield摄)

根据衬里制造商的说明，将衬里应用到适当制备的金属面板上。一旦衬里被允许固化，一个固定直径的小车被粘合到衬里使用适当的粘合剂。然后拉动推车直到失败。失效时获得的拉力除以所使用的小车的面积，并以施加的压力为单位表示，psi或MPa。

破坏时所施加的压力是衬砌粘结强度的一个指标，压力越大，衬砌粘结强度越大。通常，对于所应用的衬里，会有一个最小的失效粘合要求指定为合格或不合格。对于船舶衬砌，不同资产所有者的这一数值可能不同，但至少有一家衬砌制造商报告环氧基衬砌产生的附着强度值超过4,350 psi (30 MPa)。

浸没式电阻

衬里的主要作用是保护碳钢基材通过提供基材与周围环境之间的屏障。的浸根据NACE TM0174，通常通过Atlas细胞测试来评估衬里的电阻。²该方法用于评估衬里在连续浸泡在液相中时能够提供足够的长期保护的最高温度。去离子水是最常用的测试介质，因为它有最大的能力渗透衬里。

根据测试温度的不同，通常采用两种类型的Atlas测试单元:

1. 用于203°F(95°C)的常压玻璃电池测试
2. 在212°F(100°C)以上温度水平下测试衬里的钢压力箱

典型的玻璃电池测试(图2)包括一个配备了各种附件的三颈玻璃罐筒，例如热电偶、起泡器、搅拌器和冷却水冷凝器等。钢压力电池(图3)基于与玻璃电池测试相同的原理，但使用密封的三颈钢瓶代替。

图2:在实验室控制条件下使用的玻璃Atlas电池

图3:在实验室条件下使用的钢Atlas电池

如果采用单边试验，则只有衬里试验板的一侧暴露在化学环境中。在这种情况下，可以同时测试两个测试面板。然后，测试面板连接到玻璃圆筒上，以创建一个密封组件，容纳液体介质。

热电偶被插入玻璃圆筒的一个颈，以监测液体介质的温度。液体介质可以通过电加热器、电罩、蒸汽加热盘管或任何其他外部加热方法进行加热。第二个颈通常用于安装冷却水冷凝器，以在测试期间保持测试溶液的恒定水平和浓度。第三个颈可用于安装搅拌器，如果需要，或密封，如果不使用。

图4:展示测试板组装的玻璃Atlas电池示意图

资产所有者通常更喜欢单边测试，因为它近似于冷的墙效果(也称为冷壁起泡)在使用条件下发现，当观察到容器内衬表面和容器外皮之间的显著热差。温度梯度加速了水通过衬里向较冷的衬底的渗透速率，促进起泡或分层．^3.

衬里被应用到合适的准备好的测试板上，并粘结到玻璃罐筒上。细胞中有三分之二被测试介质填充。这允许创建两个不同的曝光阶段:

1. 完全浸没的阶段，衬里将暴露在液体介质中
2. 内衬与蒸汽持续接触的一种汽相

通常情况下，内衬在暴露于测试环境的第一个、第三个和第六个月后进行检查，以检查颜色、光泽或光滑度的任何视觉变化。它也检查失败的迹象，如起泡，开裂，分层和生锈等，并根据ASTM D714进行适当的评估⁴, ASTM D610⁵和ASTM D 4541¹．如果衬里完好无损，无损坏迹象，可建议产品在试验温度下长期浸泡。

渗透阻力

衬里必须能够抵抗渗透在使用过程中尽量使用气体或液体。否则，它们将无法为衬底提供长期的保护。如果气体和液体能够自由地渗透到衬里，它们将通过衬里，直到到达衬里/衬底界面。

此时，衬里不再作为化学环境和衬底之间的屏障;这样就为腐蚀的发生创造了一个理想的环境。当金属基体氧化时，氧化产物所占的体积比其来源的钢铁所占的体积更大，在粘结线处对衬里施加额外的压力。如果压力足够大，这种压力可以克服衬里的粘合强度。

电化学阻抗谱(EIS)是一个强大的和非破坏性实验室技术，可用于调查衬里因暴露在环境中而恶化的情况(图5)。EIS通过定量测量衬里对流经它的电流的电阻或阻抗来实现这一点。

图5:EIS设备

该技术正迅速成为业界公认的衬砌性能测量方法，因为它可以确定水渗透到衬砌中的程度以及相关的水疱形成、衬砌膨胀和粘合损失(包括分层)。⁶衬里的渗透程度越高，其对电流的阻力就越小。

图6:EIS扫描配置文件

为了按照ISO 16773进行EIS分析⁷，将涂覆的金属样品置于法拉第笼为了使其不受外界干扰，建立了一个标准的三电极电池。

涂覆的样品作为工作电极，上面夹着一个玻璃电池，隔离一个固定的2英寸²(12.57厘米²)衬里面积。该电路由标准石墨对电极完成甘汞参比电极(SCE)和1%氯化钾电解质(图7)稳压器，它将测量在特定频率范围内阻抗的大小。

图7:用于涂层分析的电化学电池

0.1 Hz时阻抗绝对值的对数，log₁₀|通常用于测量测试衬里提供的保护水平。该值低于6.5表示保护不力。数值在6.5到8之间表示衬里提供中等程度的保护。8到9之间的值表明衬砌的屏障性能良好，大于9的值表明衬砌提供了极好的保护级别(图8)。

图8:日志₁₀Z | |_0．1Hz刻度用于衬里保护

事实上，环境信息系统的测量并不是绝对的。它们必须相对使用，因为单一的EIS光谱提供的衬砌保护水平的信息很少。这就是为什么这种技术通常与Atlas细胞测试一起使用的原因。

通过比较衬里在Atlas细胞中测试6个月前后阻抗的对数，可以确定衬里能够提供的保护水平是差、好还是极好。因此，高性能内衬应该生成日志₁₀|Z|值在经受测试制度前后超过10。

动力阻力

通常情况下,过程血管在开启维修和检查前，必须彻底清洁。石油和天然气行业的船舶也不例外。在对容器基板或现有内衬进行检查(如果是内衬容器的话)之前，需要清除残余油、化学物质和其他污染物。(了解更多关于清洁和基材表面防腐准备．)

清洗过程可以使用化学品或加压蒸汽进行。后者通常被称为蒸出过程。蒸汽排出是一种净化过程，在接近或高于390°F(200°C)的温度水平下使用加压蒸汽，持续24小时。

出于各种原因，蒸汽的使用方便而有效:

• 蒸汽的热量有助于分解粘性残留物。
• 蒸汽不含可燃氧化剂。
• 冷凝水有助于冲洗和漂洗容器内的东西。

因此，使用的任何容器内衬都必须耐高温蒸汽。

为了评估衬里对这种应用的适用性，涂覆的样品应暴露在高温蒸汽中一段合适的时间。一些资产所有者要求内衬样品暴露在蒸汽中至少21天。在此之后，对样品进行检查，看是否有任何因高温暴露而导致的失效/损伤迹象。

只有在蒸汽清洗温度达到没有观察到明显损伤的温度时，才建议使用衬板。先进的环氧衬套在410°F(210°C)的温度下进行了测试，证明环氧衬套能够抵抗短期的温度波动，高于通常在浸泡条件下使用的建议温度水平。

爆炸减压

如前所述，在压力容器中，气体和液体储存在高于大气压力液位，系统内的任何流体或气体都有在一定程度上渗透衬里的倾向。为了评估衬砌抗减压影响的能力，可根据NACE TM0185进行对照试验。⁸

用于这项试验的仪器是一台高压灭菌器．在油气工业中，通常用于评价衬砌爆压恢复力的试验介质由烃、水和气三个相组成:

1. 随着碳氢化合物原油中的成分是非常可靠的原油来源，用于爆炸减压测试的碳氢相通常是50:50 (v/v)的煤油和甲苯．
2. 水相通常是海水。
3. 根据资产所有者或运营商的要求，气相可以有多个组分。然而，大多数测试是使用不同浓度的甲烷、氮、二氧化碳和硫化氢的混合物进行的。

涂层板被密封在高压釜中，暴露在特定目标应用规定的高温和压力水平下的测试介质环境中。在预先指定的一段时间内(足以对内衬完整性进行可靠的评估)，通常从21到28天，高压釜在15到30分钟内以预先确定的速度减压。

减压速率对于施加在被测衬砌材料上的应力和成功率尤为关键。至少有一家衬里制造商使用5分钟内从1450 psi (100 bar)到725 psi (50 bar)的减压速率，以及10分钟内从725 psi (50 bar)到0psi (0 bar)的减压速率进行爆炸减压测试。

面板从高压灭菌器中取出，在检查衬里的完整性之前，允许冷却到环境温度。衬里必须在气相和液相中与未测试的样品进行比较，以确定任何失效迹象，如起泡、颜色变化、软化、底膜蠕变和disbondment等等。如果未观察到破坏，则可以得出结论，衬砌在试验减压速率下，抗从升高条件到环境温度的减压。

参考文献

1. ASTM D4541-09e1，“用便携式附着力测试仪测定涂层剥离强度的标准试验方法”(West Conshohocken, PA: ASTM International)。
2. NACE TM0174-02，“浸泡环境下金属基材上的保护和衬里材料的实验室评估方法”(休斯顿，得克萨斯州:NACE)。
3. J.R. Kosek, J.N. Dupont, A.R. Marder，“孔隙率对环氧涂层耐冷壁起泡的影响”，腐蚀科学，第51卷。11号(1995)。
4. ASTM D714-02(2009)，“评价油漆起泡程度的标准试验方法”(West Conshohocken, PA: ASTM International)。
5. ASTM D610-08(2012)，“油漆钢表面生锈程度评定标准规程”(West Conshohocken, PA: ASTM International)。
6. Hinton, J. Andrew，“用电化学阻抗光谱法测定涂层附着力”。Solartron，材料测试，范堡罗，汉普郡，英国。
7. ISO 16773-2:2007，“高阻抗涂覆试样的电化学阻抗谱(EIS)第1、2和3部分(瑞士日内瓦:ISO)。”
8. NACE TM0185-2006，“通过高压釜试验对管材腐蚀控制用内塑料涂层的评价”(休斯顿，得克萨斯州:NACE国际)。