2023年金属换热器防腐技术研究进展.doc

金属换热器防腐技术研究进展 金属换热器防腐技术研究进展/詹柏林等 79 金属换热器防腐技术研究进展 詹柏林,朱有兰,陈 颖,张永泉 (广东工业大学材料与能源学院,广州510006) 全面介绍了目前国内外换热器的防腐技术和方法,并对各种技术进行综合评价与比拟.环保,低本钱, 高效率地提高换热器的耐蚀性能是抉热器防腐技术的前进方向.因此,面对现代化工业和市场对换热器耐蚀性能要 求的不断提高,综合各种防腐技术是解决换热器腐蚀问题的首选方法,改善电镀和化学镀非晶态镀层工艺问题,进一 步提高非晶态镀层质量和沉积钛镀层的研究应是努力的方向. 关键词 金属换热器防腐技术非晶态镀层钛镀层 Development of Anticorrosion Technologies of Metallic Heat Exchangers ZHAN Bolin,ZHU Youlan,CHEN Ying,ZHANG Yongquan (Faculty of Material and Energy,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006) Abstract Present approaches and technologies of anticorrosion of heat exchanger are reported and discussed in this paper.Efficiently improving the corrosion resistant of heat exchanger by unpolluted and low~cost technologies is always the guideline.So using several technologies tO solve the corrosion problems should be adopted firstly in the face of increasing needs of modern industry and market.The processes of electroplating and chemical plating amorphous coating and the coating quality should be further studied and improved,and deposition of titanium coating is worth studying greatly. Key words metallic heat exchanger,anticorrosion technology,amorphous coating,titanium coating O引言 1换热器防腐技术与评价 换热器在能源,石油化工,空调,制冷,运输,热量再生器以 及其它工业中扮演着十分重要的角色,如在氮肥制造,合成氨, 火力发电,乳品生产,汽车,日用空调等领域的应用.然而在工 业实践生产中,换热器因结垢,腐蚀致使换热器性能不断下降直 至损坏的事件经常发生_l～』,直接或间接(如:停工检修等)地造 成很大的经济损失.近十几年来,尽管换热器的腐蚀与防腐技 术有所进展,但总的来说,还跟不上换热器性能研究开展的步 伐.研究说明,采用高浓度(质量浓度达4o 左右)LiC1作为换 热器除湿剂,可以大大提高换热器性能[8].遗憾的是,目前一般 金属乃至具有较强耐蚀性能的不锈钢均难以承受如此高浓度的 LiC1溶液腐蚀,以致不能制造和应用更高性能的换热器.目前, 面对腐蚀,一般采用高耐腐蚀材料,如:双相不锈钢,哈氏合金, 钛,钛合金以及钽,锆等.但是,这些高耐腐蚀材料价格昂贵,制 造本钱非常高,一般企业难以承受,不利于推广.所以,以低成 本开发出高耐腐蚀和高导热性能的涂层或镀层用以解决换热器 的腐蚀失效问题,具有很好的现实意义.本文较全面地介绍了 目前国内外换热器的防腐技术,并对各种技术方法进行了比 较,评价,为环保,低本钱地制造出高性能换热器提供了一些建 议和新的解决思路. 由于不同换热器工作环境(温度,压力,介质以及介质流速 等)不同,设计时选用的材质和换热器结构不同,换热面腐蚀失 效的主要形式也往往不同.因此,防止腐蚀的技术方法也不同, 从而导致换热面外表处理方法的多样性和复杂性.但大多数控 制腐蚀的方法均围绕以下3种思路进行:①使金属外表与环境 介质隔离;②改善环境,使阳极或阴极反响在可控制范围内;③ 使用高耐腐蚀金属.到目前为止,国内外对换热器外表防腐处 理的技术主要有:①涂敷耐蚀涂料l②电化学保护;③添加缓蚀 剂;④渗,镀耐蚀层;⑤综合技术方法等5种方法. 1.1涂敷耐蚀涂料 涂敷耐蚀涂料不仅可以使换热面具有抗冲刷,抗渗透,耐湿 变等性能,而且还有隔离金属外表与介质接触和阻垢的作用,在 一定程度上可以提高换热器性能和寿命.用这种方法存在两个 问题,一是涂料性能问题.除DH22可以耐温250～300℃之 外,目前涂料普遍耐温性能较差,每次检修用高压蒸气吹扫时, 涂层容易剥落破坏,所以一般只用于水冷器的防腐.二是涂装 工艺问题.换热器换热面积大,形状复杂,很难使涂层在换热面 上均匀无孔隙,使用过程中容易造成小阳极大阴极,反而会加速 腐蚀,因此往往需要多层涂覆,由此影响换热器导热性能.目 前,在国内,许文庆等在换热器涂敷涂层工艺上已获得专利.虽 x广东省自然科学资金项目(04300162);佛山市南海区优秀人才创业专项项目(南科(2023)55号);广东省技术创新项目(粤经贸 技术~20231377号) 詹柏林:男,1978年生,硕士研究生 Tel:020-31994450 E-mail:zb180125@163 维普资讯 :// cqvip 8O 材料导报 2023年12月第2O卷第12期 然有所改良,但是还不够经济_9].国外,T.Sugama等研究了在 碳钢换热器上涂覆耐腐蚀性能的高分子材料__】 "];Lorenzo Fedrizzi等在铜管上涂覆EIS,PVF,PE等有机涂层.并比拟了 这3种涂层的性能_1 ,但工艺比拟复杂,均属于多层涂覆;J.R. Santos等在不锈钢外表涂覆的聚苯胺层能提高不锈钢耐蚀性 能,可惜涂层不够稳定 . 尽管在换热器涂敷耐蚀涂料方面已不断取得一些成就,但 是仍需要不断完善和提高.低本钱,无污染,高性能是涂料开发 前进的目标;另外一定要注重换热器结构形状的合理设计.因 为换热器合理的结构对简化涂料涂装工艺,提高涂层质量能起 到关键作用. 1.2电化学保护 电化学保护方法有阴极保护方法和阳极保护方法两种.阴 极保护是将金属的电位向负调节,使金属进入E-pH图的不腐 蚀区,从而降低或抑制阳极的腐蚀,可通过J'l,JJn电流和牺牲阳极 两条途径来实现 阳极保护指采用外电源将保护的具有钝性的 金属电位向正方向移动(即进行阳极极化),使其电位进入E— pH图的钝化区,从而抑制金属腐蚀. 阴极保护电流分布均匀与否是保护质量好坏的关键,必须 是被保护件各处都到达完全保护的电位,因此阳极的布局方式 以及外加电流大小是阴极保护的关键.此外,采用阴极保护方 法应注意以下两点:①在酸性介质中的放氢腐蚀环境下,使用阴 极保护耗电多,且容易引起氢脆;②牺牲阳极的阴极保护作用仅 限于换热器管子入口处的有限长度内,管内深处目前还难以实 现阴极保护.目前,一般小型海水换热器多采用牺牲阳极的阴 极保护,大型换热器多采用外加电流阴极保护.采用牺牲阳极 保护方法时,还应该注意到:①在氯离子浓度较高的环境下,由 于氯离子能局部破坏钝化膜造成孔蚀,一般不能采用阳极保护 方法;②需设备多,本钱较高.目前,在日本普遍选择锌作为牺 牲阳极,同时正在进行用Mg系金属,Al系合金作为牺牲阳极 的研究.国内,大庆石油化工总厂机械厂张作为等也在研究应 用牺牲阳极保护法的有关问题r . 1.3添加缓蚀剂 金属的腐蚀是金属在电解质溶液中发生阳极过程和阴极过 程的结果.缓蚀剂的参加,可以起到阻滞任何一过程的进行或 同时阻滞两个过程的进行,从而起到减缓腐蚀速度的作用 1.4渗,镀耐蚀层 1.4.1渗铝/锌层 渗铝层具有抗高温氧化和抗燃气腐蚀的能力,在大气,硫化 氢,二氧化碳,海水等介质中具有良好的耐蚀性能n .该技术 在换热器应用上,由于管束与管板连接处的保护问题至今仍没 有很好解决,影响了渗铝碳钢换热器的使用寿命L】 .实践生产 中还发现,在有些情况下,由于外界因素的作用,会出现铝的电 位比钢铁电位高(即电位反转)的情况,形成大阴极小阳极,反而 加速了换热器的腐蚀,甚至引起换热面穿孔失效.与渗铝法相 比,渗锌法在换热器的应用上有许多优点,如:渗锌温度比拟低, 约为400~500℃,因此可降低换热器发生软化变形i渗层比拟 容易到达均匀,采用粉末包埋法对换热器进行整体渗锌时,不 会在管束与管板的连接处出现问题_1 i渗锌层与铁的电位 差,比锌与铁的电位差还要小,具有更好的保护效果等. 但是,渗锌与渗铝的共同缺点是工艺温度太高,渗时较长. 而换热器管,板厚度一般都很薄,容易造成软化变形,影响换热 器性能.所以,防止换热器高温变形,缩短渗时,提高生产效率 和渗层质量是渗锌法应努力的目标. 1.4.2镀耐蚀层 在较强的腐蚀介质(如高浓度的H.S,C1)和更苛刻的环 境(如高温,高压)下,普通材质和涂层均难以抵抗.而高耐腐蚀 材料如双相不锈钢,哈氏合金和钛及钛合金等价格比拟昂贵 非晶态合金镀层由于没有晶界,位错等缺陷,具有较高的抗腐蚀 性能,此外还具有一定的硬度,能抗冲刷和磨蚀以及导热性能 好,外表光滑,能抗结垢等优点,非常符合换热器防腐的需要 为提高普通材质换热器耐蚀性能提供了经济的解决方案,因此 非晶态合金镀层在换热器上不断得到应用. 目前,应用于换热器上的非晶态合金镀层主要有Ni—P,Ni— Cu—P两种,也有Ni—W-P,Ni—Sn-P["],Ni Mcrp[" 等.由于非晶 态合金镀层具有优越的防腐性能,备受人们的青睐.据悉,在西 方国家应用于石化行业的化学镀非晶态Ni—P镀层产值超过1 亿美元,国内石化行业化学镀非晶态Ni P的市场份额约占 5O 以上.近几年有研究发现,非晶态Ni—Cu—P三元合金镀层 耐腐蚀性能明显优于非晶态Ni P二元合金镀层l1 . 获得非晶态合金镀层的方法主要有电镀和化学镀两种.各 自优缺点见表1. 表1 电镀与化学镀非晶态镀层方法优缺点比照 Table 1 The comparison of the electroplating and the eleetroless amorphous coating \彦假设 电镀 化学镀 优缺点,\ 获得非晶态难易程度 较难 较易 镀液温度较低, 镀液温度太高(80"C左 镀液稳定性 右),镀液稳定性差, 稳定性较好 容易挥发,污染车问 沉积速率 沉积快,生产效率高 沉积慢,生产效率低 由于难以获得非晶 由于镀层为非晶态, 镀层耐蚀性能 镀层,耐蚀性较差 耐蚀性好 金陵石化设备研究院创造了化学镀镀液配方,但镀液温度 仍在85±1o℃,镀液稳定性不够好.虽然目前国外已经开发出 很好的高温镀液稳定剂,但均保密.