The challenges facing zinc silicates at high temperatures – part 1

高温条件下硅酸锌面临的挑战 – 第 1 部分

有一个公认的事实毋庸置疑，那就是使用硅酸锌底漆的系统在要求严苛的大气条件下使用寿命很长，并可提供理想的防腐保护。但是，隔热层下腐蚀已成为一个重要问题。

Michelle Ystad Eriksen，材料化学与能源技术理学硕士
全球市场营销经理 - HPI - 佐敦工业保护涂料

涂料行业中有一个公认的事实，那就是使用硅酸锌底漆的系统在海上设施、化工厂和炼油厂等要求严苛的大气条件下可长期使用，并提供理想的防腐保护。

但是，随着涂料行业日益成熟，CUI（隔热层下腐蚀）已成为一个重要问题。该问题不仅发生在高温区域，也隐藏在隔热层和堆焊层下方，难以发现和补救。

硅酸锌在温度性能方面的局限性

过去，对于为 120°C 以上温度指定的涂层系统，一般是先施工一层 IOZ（无机硅酸锌），然后再施工一层有机硅树脂或有机硅树脂铝面漆。这似乎是一个合理的选择，因为涂料固化后，硅酸盐粘合剂本质上会变成玻璃，从而具有非常好的耐高温性能。

但是，为了防腐加入锌粉后，涂层耐受的高温上限会受到限制。金属锌的熔点为 420°C，一旦达到这个熔点，锌就会迅速与空气中的氧气发生反应，将金属锌降解为氧化锌。

图 1 显示了加热前（上）和加热后（下）的硅酸锌。白色“模糊”颗粒是与氧气发生反应并转化为氧化锌的金属锌。

image_showing_a_zinc_silicate — 图 1：显示加热到 420°C 以上之前（上）和之后（下）的硅酸锌的 SEM（扫描电子显微镜）图像。

这一过程产生了两个问题。首先，氧化锌不提供电化学腐蚀保护，因此，涂层将逐渐失去其防腐保护性能。其次，氧化锌的体积大于金属锌的体积，这意味着前者在漆膜中将占据更多的空间。这会增加涂层细微开裂的风险，进而增加额外防腐保护需求。

氧化锌的形成是硅酸锌提供的电化学腐蚀保护的自然副产物，在此过程中，基材上的金属锌“生锈”并形成氧化锌，有时也称为“白锈”。在腐蚀性环境中形成的这种氧化锌可以填充硅酸锌涂层中自然存在的多孔结构，为涂层增加一层屏障。当锌被加热到其熔点以上时，也会形成氧化锌，但经历的化学反应略有不同。IOZ 涂层面临的挑战在于，当温度达到熔点以上时，锌的氧化速度会非常快，从而损害涂层的电化学腐蚀保护性能。

此外，锌的电化学腐蚀保护是一种电化学反应，温度越高，反应速度越快。在有水分存在的情况下，例如在 CUI（隔热层下腐蚀）条件下，IOZ 涂层中的锌会被迅速消耗，与较低温度下的相同条件相比，涂层的寿命会缩短。

正因如此，NACE（美国腐蚀工程师协会）规定，IOZ 并非 4°C 至 175°C 温度范围内应用的首选解决方案，而这正是最有可能出现 CUI（隔热层下腐蚀）的温度范围。业界一般认为，在 175°C 以上的温度下，不存在导致出现 CUI（隔热层下腐蚀）的足够水分。这在稳态条件下的确如此，但是现场条件很少处于稳态，特别是在停机和维护期间，温度会下降到容易引发 CUI（隔热层下腐蚀）的温度范围以内。这会导致隔热系统中出现引发腐蚀的凝结，此时 CUI（隔热层下腐蚀）就成为一个潜在风险。隔热层容易锁住水分，也就是说，即使当温度恢复到 175°C 以上，CUI（隔热层下腐蚀）仍然是一个需要考虑的因素。

IOZ 的反向电位

关于 IOZ 的第三个问题是反向电位。这指的是，涂层钢结构成为锌的阳极，在 60°C 到 80°C 之间牺牲自己以代替锌。这会导致 IOZ 涂层本应保护的结构出现过早和加速损坏。除了只在很窄的温差下发生之外，这种极性反转还需要溶解氧、碳酸氢盐和亚硝酸盐，而氯化物和硫酸盐会抑制这一过程。也就是说，容易出现 CUI（隔热层下腐蚀）的部位，往往不太容易受到硅酸锌的反向电位影响 [1]，这种情况也不太可能发生在石油加工厂。

总结

综上所述，IOZ 的性能在高温条件下受到威胁主要有三个原因：

IOZ 涂层通过原电池电化学反应提供防腐保护。与类似的环境温度条件相比，高温下这个过程的速度会加快，导致锌过度消耗和涂层寿命缩短。
在 420°C 以上的温度下，氧化锌的生成速度比正常速度快。氧化锌不是电活性材料，不能提供电化学腐蚀保护，因而进一步缩短涂层寿命。
氧化锌的体积大于金属锌的体积（如图 1 所示），在相对较脆的 IOZ 涂层中会产生细微开裂。这将增加对金属锌的电化学保护需求，进一步缩短涂层的寿命。

IOZ 在高温条件下所面临的挑战，促使工程师和规范人员寻找其他解决方案来防止 CUI（隔热层下腐蚀）。此类替代解决方案可包括：使用不同涂料化学成分的其他类型的高温涂料、TSA 或在可能的情况下完全去除隔热层。

如果正在使用 IOZ，一般需要指定较高的锌含量，以确保在尽可能长的时间内为腐蚀保护提供足够的金属锌，即使条件不尽人意。对于特别喜欢 IOZ 涂层的人来说，这就引出了一个问题：我们如何才能改进其在高温条件下的性能？

我们将在“高温条件下硅酸锌面临的挑战 - 第 2 部分”一文中进一步探讨这个主题。

欲了解更多信息，请联系我们的客户服务专员 Kevin：kevin@jotun.com。

参考资料
[1] Zhang, X. G. [1996] "7.2.4 Polarity Reversal" Corrosion and Electrochemistry of Zinc.Plenum Press, pp. 203 - 208.

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