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混凝土铜电解槽GFRP防腐蚀内衬失效分析

发布时间:2023-01-30

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玻璃纤维增强塑料(GFRP),俗称玻璃钢,指用不饱和聚酯树脂、环氧乙烯基树脂、环氧树脂等为基体,以玻璃纤维或其制品作增强材料形成的增强塑料。玻璃钢由于性能稳定,机械强度高,耐酸碱腐蚀等特性,常用于有色冶炼、石油化工、能源、钢铁、电力、环保等领域的防腐蚀工程,尤其以环氧乙烯基酯树脂为代表的玻璃钢,因具有耐高温,耐强酸强碱及具有较高的力学强度等特性是防腐蚀工程领域的首选方式之一。混凝土铜电解槽FRP防腐蚀内衬也从原先采用双酚A不饱和聚酯树脂,被性能更优、使用寿命更长的环氧乙烯基酯树脂所替代,复合材料制品的应用特性不仅仅靠树脂自身性能,还包括增强材料性能,以及施工性的综合影响,因此对于工程质量的把控,要进行系统分析,来找到影响制品性能的主要原因。

 

2.GFRP防腐蚀内衬失效形式

 

 

国内某大型铜有色冶炼公司,建设初期厂内湿法铜冶炼槽均为混凝土结构,因铜电解液含有20%左右硫酸,且长期保持温度65℃左右,对混凝土电解槽具有严重腐蚀性,其混凝土铜电解槽的防腐一般采用环氧乙烯基树脂玻璃钢内衬方式,常用玻璃钢铺层结构为:300g短切毡1层+2层04#玻纤布+1层300g短切毡+2层04玻纤布,前期其玻璃纤维布一直使用国内某知名品牌的无碱型玻璃纤维布,正常防腐使用寿命达5年以上,后因一些材料和防腐人员的更换等,混凝土电解槽使用国内某厂中碱型玻璃纤维布与短切毡复合内衬方式进行防腐,使用寿命大大降低,甚至在使用一周内玻璃钢防腐即出现破损、腐蚀、脱层、裂缝等防腐失效现象。

 

图1 电解槽上部  

 

 图2 电解槽上部

 

图3电解槽上部

 

图4 电解槽底部

 

如图1、2、3所示,在电解槽上部的GFRP防腐蚀内衬边缘处有多处孔洞,且贯穿到混凝土基础,图4为电解槽底部有别裂缝现象。

 

3. 失效分析

1 从下面三张图可以看出电解槽上边缘处玻璃钢层有多处孔洞并发生腐蚀,且玻璃钢层与基体有分层现象,腐蚀主要在上边缘部位,其余部位整体良好。

 

图1、2、3 电解槽上部

结合现场情况分析,电解槽上边缘处需承载较重的电解铜板,在电解板吊装时易与上边缘部位产生摩擦和撞击,初步分析造成电解槽上边缘部位的破损和腐蚀情况应是由于内衬玻璃钢防腐层强度不足,电解板在吊装时被冲击导致破损,造成电解液由破损点向内部渗透,由点及面造成玻璃钢层起壳、混凝土腐蚀。

2

 

 

 

由图4看出电解槽底部混凝土出现裂缝,裂缝周边部位等部位良好。因该电解槽采用玻璃钢内衬方式,初步分析该处裂缝可能一是混凝土基础没有处理好,二是玻璃钢内衬层力学强度不足所致。

 

4. 试验验证

由3.1中对电解槽上部的失效分析,可得出玻璃钢防腐内衬是局部腐蚀而非全部腐蚀,因此可基本排除树脂的因素,因玻璃钢的强度与玻璃纤维材料有较大关系,因此重点先从玻纤和其他材料方面着手试验,分别从外观、弯曲强度和硬度以及保留率进行评估。

1.材料准备

      环氧乙烯基酯树脂(上海某品牌854型)、乳剂型300g短切毡(国产某品牌EMC-450)、无碱04#玻纤布(国产某品牌EWR-400)、中碱玻纤布(山东某品牌CWR-400)、固化剂V-388、促进剂(钴浓度1.2%)、毛滚、电子秤、量筒、玻璃杯、滴管、打磨机、搅拌机、巴氏硬度计、万能测试机、恒温水箱等。

2.试验设计

      称取1000g环氧乙烯基树脂,分别按比例添加3%促进剂和2%固化剂,按电解槽玻璃钢防腐铺层(1层300g短切毡+2层04#玻纤布+1层300g短切毡+2层04玻纤布)制作玻璃钢样块,如表2,然后进行样块的外观比较和力学性能等测试。

 

      ①根据上表2试验情况,使用中碱型玻璃纤维布制作的玻璃钢样块与使用无碱型玻璃纤维布制作的玻璃钢样块固化时间基本一致,但使用无碱玻纤布制作的玻璃钢样块外观是墨绿色,使用中碱玻璃纤维布制作的玻璃钢样块是乳白色,如图5、6所示。

图5

图6

 

      ②分别对图6的样块1和样块3切割制样,进行三点弯曲性能试验。在采用相同树脂和固化体系及室温养护24小时条件下,检测样块1和样块3的巴氏硬度分别为40和39,说明树脂固化性能一致;样块1弯曲平均强度为176MPa,样块3平均强度为138 MPa,样块1的力学性能高于样块3达27.5%;对样块1和样块3进行后固化处理,再次测试其弯曲强度,样块1弯曲强度为336Mpa,样块3弯曲强度为147Mpa,样块1的力学性能大幅升高,而样块3的力学性能基本无太大变化,详细如下表3:

 

      ③同样条件下,将样块1和样块3同时浸泡在装有硫酸铜电解液(在冶炼厂取回的原溶液)的玻璃杯中,将恒温水箱加热到70℃恒温保持,浸泡2周,样块1的弯曲强度为321Mpa,样块3的弯曲强度为129Mpa,数据变化情况详细如下表4:

 

      根据以上试验结果,样块1采用无碱玻纤布制作的玻璃钢呈绿色,样块无明显气泡,其树脂与玻纤布的浸润性较好,该玻璃钢具有更好的力学性能及耐腐蚀性能;采用某中碱玻纤布制作的玻璃钢呈白色,样块中有较多的小气泡,其树脂与玻纤布的浸润性欠佳,力学性能和耐腐蚀性也较差。

3.分析研究

 

      对图4看到的电解槽底部出现的裂缝的观察研究,其裂缝周边部分无明显腐蚀及损坏,则判断可能是基础或施工工艺因素所致。分析研究:针对裂缝部位,进行剖面分析,发现裂缝底部由于原混凝土电解槽遭腐蚀,该部位的混凝土被切除,未进行重新填补和平滑过渡处理,直接进行玻璃钢衬里的施工,在铜电解时电解液一般温度在65-70℃左右,混凝土易受温度变化产生热胀冷缩,且混凝土切割层面又没有进行填补平滑处理,其断截面高度差大于1cm,在受基础变化时易导致玻璃钢面随基础变化而发生开裂,尤其是使用上述中的中碱型玻璃纤维,因其与树脂浸润性较差,玻璃钢中存在较多气泡,树脂含量也较低,其力学性能低,更易被拉裂。另从玻璃钢层内部可以发现,其内层玻璃纤维内部树脂含量较低,浸润的树脂较少,其内部强度固然很低,详细如下图7、8:

 

图7

 

图8

 

5. 结论与建议

1.实验结论

①由以上4.1试验验证,电解槽上边缘出现的破损和腐蚀主要是由于玻璃纤维选择不当,造成玻璃钢内衬防腐层力学强度不足,易受外力冲击造成破损,从而导致铜电解液渗透至玻璃钢内部,造成玻璃钢腐蚀和与混凝土基础的脱层。

②由以上4.2分析得证,混凝土底部出现的裂缝主要是由于基没有进行修补过渡处理,截面处高度差大于1cm,与防腐蚀施工设计规范要求有较大差别,易出现玻璃钢与基础出现分层脱层,且该玻璃钢层使用的试验中的泰安某中碱玻璃纤维布,其力学强度较差,受混凝土基础热胀冷缩影响,易被拉裂。

2.其他建议

①玻璃纤维增强材料对玻璃钢的力学强度有较大影响,市场上某些厂家生产的中碱玻纤布制作的玻璃钢的力学强度较差,易被外力破坏,从而导致玻璃钢防腐失效。结合玻璃纤维自身的特点,建议有较高要求的防腐工程应采用更高强度和更易于树脂浸润的玻璃纤维。

②针对混凝土防腐基础产品,在进行玻璃钢防腐施工前,应保证基础的清洁、干燥、平整等,方可进行玻璃钢的贴衬施工,如基础不平或基础存在较大的水平落差,易造成玻璃钢起壳、开裂等情况。

③在进行玻璃钢防腐施工前,应根据基础的特性,采用专用的配套底漆,以提高底漆与基础的渗透性且保证底漆与玻璃钢层的粘接力,从而避免玻璃钢层与基础的脱层分离情况。

④在进行多层玻璃钢防腐施工时,应每层逐步施工以保证每层玻纤与树脂的浸润效果,避免一次性多层玻纤施工,否则易造成树脂与玻纤浸润效果不佳、树脂集中放热造成较大收缩、树脂固化不均等不良后果。

⑤在进行玻璃钢防腐施工时,在每层玻璃钢施工后应采用短毛滚或钢滚进行气泡排除,避免玻璃钢中存在大量或大型气泡,否则外部腐蚀溶液易渗透至玻璃钢层底部发生渗透腐蚀。

⑥在玻璃钢防腐施工时,固化剂和促进剂添加应严格按照要求控制比例,避免为追求速度过度加大促进剂和固化剂的比例,否则易造成树脂快速反应,放热过高,收缩率较高,导致玻璃钢产品开裂、烧焦等。

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