新型智能腐蚀抑制剂
作者 Ella Newington，市场经理，Hexigone Inhibitors公司，英国，塔尔伯特港
随着一个新的绿色时代的到来，最大的低效问题之一仍未得到解决。据估计，40%的新钢材被用于替换因腐蚀而损坏或毁坏的钢材，仅在维护方面，就已相当于全球二氧化碳排放量的3.2%。
在石油和天然气行业，腐蚀被认为是基础设施故障的主要原因之一。 2 根据NACE International的数据，仅美国的石油和天然气行业每年因腐蚀而产生的成本估计就达270亿美元——因此一些人估计该行业全球每年的成本要超过600亿美元。
显然，所有的金属都容易受到腐蚀，但原油本身的性质，因其具有有害杂质（如萘甲酸和硫），而进一步加剧了腐蚀。此外，由于油气网络中90%的材料都是金属，使该问题在行业内进一步变得严重。3因此，对这种自然现象进行有效管理，不仅可以节省公司的资金，还可以通过节省资源、减少维修和更换来保护环境。
六价铬的逐步淘汰
几十年来，许多关键行业，如海洋、汽车、石油和天然气等，都依赖六价铬[Cr（VI）]来进行防腐蚀保护。这种化学物质在保护金属资产方面显然非常有效，但众所周知，它也会对人类和动物产生致癌风险。
自从它被逐步淘汰后，石油和天然气行业中一种通行的替代品是磷酸锌。这种腐蚀抑制剂虽然有些效果，但与铬酸盐配合物的性能不匹配；尽管自20世纪80年代以来进行了大量的研究，六价铬仍然是大多数行业的基准防腐蚀化合物。
一种高效、具可持续性的腐蚀抑制剂
由于其微储技术，“新型”缓蚀剂目前正在推动防护涂料市场的创新。Hexigone Inhibitors公司的Intelli-ion®系列产品采用了一种从未在涂料中被有效使用过的活性成分，使其成为了一种完全独特的创新技术。
该技术通过三种电化学保护模式以“智能”方式进行防护。活性成分蛰伏在一个微储器中，当涂层表面感知到腐蚀时(通过离子或pH值变化)，就会根据需要进行触发。通过涂层的离子被隔离，使其保持中性，并触发腐蚀抑制剂的释放，使其迁移到金属表面。
一旦受到腐蚀，涂层或切割边缘上的缺陷将产生与微储体系相同的反应，缓蚀剂会在阳极和阴极的裸金属表面上形成一层纳米保护层，并与任何溶解的金属离子形成不溶盐，来防止腐蚀性离子的大规模传输，并调节膜下的pH值。
独立的性能证明
由于这种独特的方法，全世界有超过40家涂料公司正在使用这种产品进行配方设计，在防护、线圈和航空航天行业取得了令人振奋的成果。Hexigone目前正向一家领先的海洋涂料制造商Teal & Mackrill公司（Teamac）供货，该公司在与现有磷酸锌腐蚀抑制剂进行性能比较时，取得了显著的效果。
图1中上面的样板涂覆有Teamac 2K环氧底漆，该底漆含有Intelli-ion AX1，不含磷酸锌。下面的样板漆有相同的底漆，但仅含有磷酸锌。然后，用1mm的切割机对样板进行划线，并以45°角搁置在盐雾室中，按照ASTM B117方法进行连续盐雾试验。盐雾介质是在蒸馏水中加入5%w/v的NaCl，在pH值为7.0、温度为35°C的条件下持续进行250小时。
在完成250小时的加速老化（ATSM B117）后，通过添加5%的新型缓蚀剂后，样板表现出了明显优异的防腐性能。含有29%磷酸锌样板的涂层立即剥落，显示出大范围的腐蚀损坏和附着力失效。这些结果还表明，通过使用Intelli-ion，所需腐蚀抑制剂的添加量可以大大降低。
此外，新产品系列已被证明可以与磷酸锌等更传统的腐蚀抑制剂一起高效工作，当这些产品协同作用时，性能会大幅提升。在图2中，Teamac将Intelli-ion和磷酸锌添加到2-pk环氧底漆中，并将其与现有的磷酸锌体系进行了比较。按ASTM B117方法测试750小时后，结果显示该公司的标准腐蚀抑制剂的效果要低于Intelli-ion和磷酸锌的新组合。
考虑到1990年至2012年间，报告显示有9000条石油和天然气管道因内部腐蚀而发生故障 3 ——占所有泄漏事故的54.8%——很容易看出新产品在财务和环境方面的现实潜力。
对一家石油和天然气炼油厂进行的一项成本分析发现，仅仅是一个外部化学储罐，由于腐蚀，他们每15年就要花37.4万美元重新油漆一次。Hexigone的AX1已证明可将金属资产的使用寿命延长约50%，因此可将储罐的寿命延长七年，使每个储罐的维护成本减半。
通过SVET和自然老化进行深入分析
最近，奥克兰大学研究员Sina Sheikholesami在《国际表面涂层》上发表了对该产品的进一步分析，他正在研究扫描振动电极技术（SVET）与分析腐蚀的自然老化之间的关联性。通过给出材料中微观结构变化的空间分辨腐蚀测量，SVET被用于研究局部腐蚀行为。结果表明，通过使用SVET，油气行业可以准确地了解腐蚀抑制体系在24小时内的表现，而非近9个月的自然老化。
在本研究中，产品A和B是Intelli-ion技术，产品C是市场领先的无铬缓蚀剂。Sheikholeslami报告说，SVET图谱显示，含有Intelli-ion的涂层体系在切割边缘释放的抑制物质比无铬体系更有效。从图3中的红色区域可以看到这一点，图3突出了产品C在5wt.%NaCl溶液中暴露24小时后的高度阳极腐蚀。
此外，这些实验室结果与在新西兰Muriwai海滩进行的自然老化试验结果相符。根据AS/NZS 2728标准，在暴露10个月后，我们对这三种涂层样板体系A、B（Intelli-ion）和C（无铬样品）进行了评估。图4显示，产品C比前两种Intelli-ion产品的腐蚀现象明显严重得多，这支持了之前的SVET分析结果。
结论
在石油和天然气行业，保持管道基础设施的完好性，对于避免经济和环境灾难至关重要。随着六价铬的逐步淘汰，为了提供相同水平的防腐保护，显然需要进行技术创新。通过开创性的微储技术，Hexigone公司能够在涂料中加入以前与涂料不相容的化学物质，从而提供了一种价格和性能都很好的智能型缓蚀剂。
涂料制造商和研究人员的独立测试，通过行业标准测试（如ASTM B117、自然老化和SVET图谱）验证了Intelli-ion技术的性能。这些结果清楚地表明，在底漆体系中使用该技术时，新添加剂显著提高了防腐性能，使涂料制造商能够提供差异化的产品，从而减少资产的维护周期，节约了成本。
参考资料
1 C. Hoffmann, M.V. Decarbonization Challenge for Steel.Retrieved from McKinsey & Company: https://www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining/our-insights/decarbonization-challenge-for-steel#, (2020, June 3rd).
2 Kausalya Tamalmani, H.H. Review of Corrosion Inhibitors for Oil and Gas Corrosion Issues. Applied Sciences, 16, (2020).
3 Papavinasam, S. Corrosion Control in the Oil and Gas Industry. Houston, TX: Elsevier Inc., (2014).
4 United States Department of Labor. (2020, December 9th ).Hexavalent Chromium: Health Effects. Retrieved from United States Department of Labor: https://www.osha.gov/hexavalent-chromium/health-effects.
5 O Gharbi, S.T. Chromate replacement: what does the future hold? Nature, 8, (2018).
6 S. Sheikholeslami, L. G. Evaluation of cut-edge corrosion in environmentally friendly waterborne coil-coatings using the Scanning Vibrating Electrode Technique (SVET). Surface Coatings International, 5, (2020).
本文收录在《PCI中文版》杂志2022年2、3月刊中
