混凝土銅電解槽GFRP防腐蝕內(nèi)襯失效分析

摘要：本文依據(jù)混凝土銅電解槽FRP防腐蝕內(nèi)襯失效行為，分別從材料和施工方面進(jìn)行分析研究，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證找出FRP防腐蝕內(nèi)襯失效的影響因素，為后續(xù)防腐蝕施工提供相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土銅電解槽、FRP防腐蝕內(nèi)襯

1.引言
玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP），俗稱玻璃鋼，指用不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等為基體，以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料形成的增強(qiáng)塑料。玻璃鋼由于性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸堿腐蝕等特性，常用于有色冶煉、石油化工、能源、鋼鐵、電力、環(huán)保等領(lǐng)域的防腐蝕工程，尤其以環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂為代表的玻璃鋼，因具有耐高溫，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿及具有較高的力學(xué)強(qiáng)度等特性是防腐蝕工程領(lǐng)域的理想方式之一。混凝土銅電解槽FRP防腐蝕內(nèi)襯也從原先采用雙酚A不飽和聚酯樹(shù)脂，被性能更優(yōu)、使用壽命更長(zhǎng)的環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂所替代，復(fù)合材料制品的應(yīng)用特性不僅僅靠樹(shù)脂自身性能，還包括增強(qiáng)材料性能，以及施工性的綜合影響，因此對(duì)于工程質(zhì)量的把控，要進(jìn)行系統(tǒng)分析，來(lái)找到影響制品性能的主要原因。

2. GFRP防腐蝕內(nèi)襯失效形式

        國(guó)內(nèi)某大型銅有色冶煉公司，建設(shè)初期廠內(nèi)濕法銅冶煉槽均為混凝土結(jié)構(gòu)，因銅電解液含有20%左右硫酸，且長(zhǎng)期保持溫度65℃左右，對(duì)混凝土電解槽具有嚴(yán)重腐蝕性，其混凝土銅電解槽的防腐一般采用環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂玻璃鋼內(nèi)襯方式,常用玻璃鋼鋪層結(jié)構(gòu)為：300g短切氈1層+2層04#玻纖布+1層300g短切氈+2層04玻纖布，前期其玻璃纖維布一直使用國(guó)內(nèi)某聞名品牌的無(wú)堿型玻璃纖維布，正常防腐使用壽命達(dá)5年以上，后因一些材料和防腐人員的更換等，混凝土電解槽使用國(guó)內(nèi)某廠中堿型玻璃纖維布與短切氈復(fù)合內(nèi)襯方式進(jìn)行防腐，使用壽命大大降低，甚至在使用一周內(nèi)玻璃鋼防腐即出現(xiàn)破損、腐蝕、脫層、裂縫等防腐失效現(xiàn)象。   

圖1 電解槽上部

圖2 電解槽上部

圖3 電解槽上部

圖4

如圖1、2、3所示，在電解槽上部的GFRP防腐蝕內(nèi)襯邊緣處有多處孔洞，且貫穿到混凝土基礎(chǔ)，圖4為電解槽底部有別裂縫現(xiàn)象。 

3. 失效分析
3.1由圖1、2、3看出電解槽上邊緣處玻璃鋼層有多處孔洞并發(fā)生腐蝕，且玻璃鋼層與基體有分層現(xiàn)象，腐蝕主要在上邊緣部位，其余部位整體良好。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析，電解槽上邊緣處需承載較重的電解銅板，在電解板吊裝時(shí)易與上邊緣部位產(chǎn)生摩擦和撞擊，初步分析造成電解槽上邊緣部位的破損和腐蝕情況應(yīng)是由于內(nèi)襯玻璃鋼防腐層強(qiáng)度不足，電解板在吊裝時(shí)被沖擊導(dǎo)致破損，造成電解液由破損點(diǎn)向內(nèi)部滲透，由點(diǎn)及面造成玻璃鋼層起殼、混凝土腐蝕。
3.2由圖4看出電解槽底部混凝土出現(xiàn)裂縫，裂縫周邊部位等部位良好。因該電解槽采用玻璃鋼內(nèi)襯方式，初步分析該處裂縫可能一是混凝土基礎(chǔ)沒(méi)有處理好，二是玻璃鋼內(nèi)襯層力學(xué)強(qiáng)度不足所致。
4. 試驗(yàn)驗(yàn)證
4.1、由3.1分析，玻璃鋼防腐內(nèi)襯是局部腐蝕而非全部腐蝕，因此可基本排除樹(shù)脂的因素，因玻璃鋼的強(qiáng)度與玻璃纖維材料有較大關(guān)系，因此重點(diǎn)先從玻纖和其他材料方面著手試驗(yàn)，分別從外觀、彎曲強(qiáng)度和硬度以及保留率進(jìn)行評(píng)估。
4.1.1材料準(zhǔn)備：環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂（上海某品牌854型）、乳劑型300g短切氈（國(guó)產(chǎn)某品牌EMC-450）、無(wú)堿04#玻纖布（國(guó)產(chǎn)某品牌EWR-400）、中堿玻纖布（山東某品牌CWR-400）、固化劑V-388、促進(jìn)劑（鈷濃度1.2%）、毛滾、電子秤、量筒、玻璃杯、滴管、打磨機(jī)、攪拌機(jī)、巴氏硬度計(jì)、萬(wàn)能測(cè)試機(jī)、恒溫水箱等。
4.1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)：稱取1000g環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂，分別按比例添加3%促進(jìn)劑和2%固化劑，按電解槽玻璃鋼防腐鋪層（1層300g短切氈+2層04#玻纖布+1層300g短切氈+2層04玻纖布）制作玻璃鋼樣塊，如表2，然后進(jìn)行樣塊的外觀比較和力學(xué)性能等測(cè)試。

①根據(jù)上表2試驗(yàn)情況，使用中堿型玻璃纖維布制作的玻璃鋼樣塊與使用無(wú)堿型玻璃纖維布制作的玻璃鋼樣塊固化時(shí)間基本一致，但使用無(wú)堿玻纖布制作的玻璃鋼樣塊外觀是墨綠色，使用中堿玻璃纖維布制作的玻璃鋼樣塊是乳白色，如圖5、6所示。

圖5

圖6

②分別對(duì)圖6的樣塊1和樣塊3切割制樣，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能試驗(yàn)。在采用相同樹(shù)脂和固化體系及室溫養(yǎng)護(hù)24小時(shí)條件下，檢測(cè)樣塊1和樣塊3的巴氏硬度分別為40和39，說(shuō)明樹(shù)脂固化性能一致；樣塊1彎曲平均強(qiáng)度為176MPa,樣塊3平均強(qiáng)度為138 MPa，樣塊1的力學(xué)性能高于樣塊3達(dá)27.5%；對(duì)樣塊1和樣塊3進(jìn)行后固化處理，再次測(cè)試其彎曲強(qiáng)度，樣塊1彎曲強(qiáng)度為336Mpa，樣塊3彎曲強(qiáng)度為147Mpa，樣塊1的力學(xué)性能大幅升高，而樣塊3的力學(xué)性能基本無(wú)太大變化，詳細(xì)如下表3：

③同樣條件下，將樣塊1和樣塊3同時(shí)浸泡在裝有硫酸銅電解液（在冶煉廠取回的原溶液）的玻璃杯中，將恒溫水箱加熱到70℃恒溫保持，浸泡2周，樣塊1的彎曲強(qiáng)度為321Mpa，樣塊3的彎曲強(qiáng)度為129Mpa，數(shù)據(jù)變化情況詳細(xì)如下表4：

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，樣塊1采用無(wú)堿玻纖布制作的玻璃鋼呈綠色，樣塊無(wú)明顯氣泡，其樹(shù)脂與玻纖布的浸潤(rùn)性較好，該玻璃鋼具有更好的力學(xué)性能及耐腐蝕性能；采用某中堿玻纖布制作的玻璃鋼呈白色，樣塊中有較多的小氣泡，其樹(shù)脂與玻纖布的浸潤(rùn)性欠佳，力學(xué)性能和耐腐蝕性也較差。

4.2、 對(duì)圖4看到的電解槽底部出現(xiàn)的裂縫的觀察研究，其裂縫周邊部分無(wú)明顯腐蝕及損壞，則判斷可能是基礎(chǔ)或施工工藝因素所致。分析研究：針對(duì)裂縫部位，進(jìn)行剖面分析，發(fā)現(xiàn)裂縫底部由于原混凝土電解槽遭腐蝕，該部位的混凝土被切除，未進(jìn)行重新填補(bǔ)和平滑過(guò)渡處理，直接進(jìn)行玻璃鋼襯里的施工，在銅電解時(shí)電解液一般溫度在65-70℃左右，混凝土易受溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，且混凝土切割層面又沒(méi)有進(jìn)行填補(bǔ)平滑處理，其斷截面高度差大于1cm,在受基礎(chǔ)變化時(shí)易導(dǎo)致玻璃鋼面隨基礎(chǔ)變化而發(fā)生開(kāi)裂，尤其是使用上述中的中堿型玻璃纖維，因其與樹(shù)脂浸潤(rùn)性較差，玻璃鋼中存在較多氣泡，樹(shù)脂含量也較低，其力學(xué)性能低，更易被拉裂。另從玻璃鋼層內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)層玻璃纖維內(nèi)部樹(shù)脂含量較低，浸潤(rùn)的樹(shù)脂較少，其內(nèi)部強(qiáng)度固然很低，詳細(xì)如下圖7、8：

圖7

圖8

5.結(jié)論與建議

作者：陳保燈

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