一種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法，所述涂層為納米顆粒強化Ni-P-SiO2復合涂層，采用化學鍍的方法鍍在水熱管管殼的內外壁上，包括如下步驟：1）含納米顆粒的鍍液制備；2）；管殼內外壁材料的預處理；3）管殼內外壁Ni-P-SiO2復合鍍層的施鍍。本發(fā)明用化學鍍的方法在熱管內壁形成的復合涂層，可以阻隔碳鋼和水接觸，抑制不凝性氣體的生成，提高熱管傳熱性能，同時還能增強熱管外壁的露點耐腐蝕性能，提高熱管環(huán)境適應性。
【專利說明】—種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法，具體地說，是采用化學鍍的方法在熱管管殼內外壁表面形成納米顆粒N1-P-SiO2復合涂層，從而使管殼內壁材料不會與工作介質反應生成氫氣，同時使管殼外壁材料具有抗露點腐蝕的能力。
【背景技術】
[0002]熱管是一種新型、高效的傳熱元件，它可將大量熱量通過其很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。熱管因具有很高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、恒溫特性等許多優(yōu)良特性，而被廣泛應用于化工及石油化工行業(yè)、冶金行業(yè)、電子電器工程中。我國自80年代初開始將熱管研究及開發(fā)的重點轉向節(jié)能及能源的合理利用，重點開發(fā)了容易在工業(yè)中推廣使用的碳鋼一水熱管換熱器。碳鋼一水熱管的優(yōu)點是結構簡單、價格便宜，但由于作為殼體的碳鋼和作為工作介質的水在一定溫度條件下會發(fā)生化學反應產生氫氣，氫氣是一種不凝性氣體，熱管工作時氫氣會被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，傳熱性能惡化，嚴重時冷凝段全部被不凝性氣體占據導致熱管失效。因此如何解決碳鋼一水熱管的相容性問題成了人們研究的重點。 [0003]目前解決碳鋼水熱管不相容的方法有兩類，第一類是阻止或延緩熱管內碳鋼和水生成氫氣的反應，第二類是在反應發(fā)生后用各種方法消除氫氣。在實際使用中多采用第一類方法，因為第二類方法雖然能將產生的氫氣除去，但管壁材料會隨著工作時間的增長發(fā)生腐蝕，引起強度下降，甚至會穿孔使熱管完全失效，其次儲氫合金或固態(tài)氧化劑的添加會增加熱管制造成本，還會給制造過程帶來一定的麻煩。在解決相容性問題時，人們采用管壁鈍化和加緩蝕劑的雙重手段，但不管是理論研究還是實踐證明，該法只能減緩不凝性氣體的產生而不能徹底消除之，現(xiàn)在碳鋼水熱管的使用壽命在2-3年，仍遠不能滿足工業(yè)需要。
[0004]同時在空氣預熱器中使用碳鋼-水熱管還面臨著露點腐蝕的問題，這是因為用來預熱空氣的煙氣中會含有約0.2%的二氧化硫，其中1%~2%的二氧化硫經灰分和金屬氧化物等的催化作用而生成三氧化硫，它再與燃燒氣體和空氣中所含的水分結合生成硫酸，當環(huán)境溫度處于130~150°C以下時，煙氣中的硫酸出現(xiàn)露點，即在金屬表面凝結并對其產生腐蝕。該設備腐蝕問題，與普通的大氣腐蝕不同，這種腐蝕不僅使普通碳鋼遭受腐蝕，而且使不銹鋼也受腐蝕。因此有必要研發(fā)一種外壁能抗露點腐蝕的長效熱管。
[0005]發(fā)明目的
[0006]本發(fā)明的目的是研制一種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法，本方法采用化學鍍的方法在熱管內、外壁形成復合涂層，既可阻止內壁碳鋼和水發(fā)生反應生成氫氣，防止氫氣積聚在冷凝段影響傳熱，又可提高熱管外壁的耐露點腐蝕能力，從而提高熱管的使用效率和壽命。
[0007]本發(fā)明所述應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法是在管殼內外壁鍍有納米顆粒強化N1-P-SiO2復合涂層，該涂層是采用化學鍍的方法形成，具體形成步驟如下:[0008]I)含納米顆粒的鍍液制備
[0009]1.1在以下組分中加入去離子水形成鍍液，鍍液中各組分的質量比如下:檸檬酸1%-2%、乳酸0.002%-0.005%、醋酸鈉1%-2%、硫酸鎳2%_4%、次亞磷酸鈉2_4%、丙酸0.002%-0.003%、碘化鉀 0.01%-0.02%、^^一烷基苯磺酸鈉 0.001%-0.002%、水，余量；
[0010]1.2在鍍液中添加鍍液質量的0.5-1°/(5102納米顆粒，加入過程中需使用機械攪拌，
[0011]1.3對加入SiO2的鍍液進行超聲波分散，并調節(jié)鍍液pH值為4.0±0.5，即可得到含納米顆粒的復合鍍液；
[0012]2)管殼內外壁材料的預處理
[0013]先對管殼內外壁進行噴砂處理完成除銹，使工件的表面得到初步的清潔并形成粗糙度，再將管殼放入溫度為60-70°C的堿性脫脂浴中進行化學除油，最后再將管殼放入wt5%-8%的稀硫酸溶液中進行酸性活化；
[0014]3)管殼內外壁N1-P-SiO2復合鍍層的施鍍
[0015]將步驟I)制得的鍍液加熱到70°C，然后再將步驟2)得到的管殼置于鍍液，再將鍍液加熱到80°C，并使化學鍍的過程中鍍液溫度維持在80±5°C，即可在管殼內外壁形成納米顆粒強化N1-P-SiO2復合涂層。
[0016]上述的化學鍍施鍍 時間為2-4小時。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0018]I)抑制不凝性氣體的生成，提高傳熱性能
[0019]本發(fā)明用化學鍍的方法在熱管內壁形成的復合涂層，可以阻隔碳鋼和水接觸，防止生成不凝氣的反應發(fā)生。熱管的有效冷凝面積就不會隨著工作時間的增長而減小，熱管的傳熱效率也不會逐漸降低。
[0020]2)增強熱管外壁的露點耐腐蝕性能，提高熱管環(huán)境適應性
[0021]采用本發(fā)明在長效熱管內外壁形成的納米顆粒復合涂層，由于納米粒子的加入為基體表面提供了更多的活性形核點，這樣沉積時單位面積上的沉積核心就越多，復合鍍層也變得更加致密，這樣必然使得鍍層的耐腐蝕性能更加優(yōu)異，提高熱管外壁的耐露點腐蝕能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為采用本發(fā)明形成長效表面涂層的碳鋼-水熱管結構示意圖；
[0023]圖1中，1-新型管殼；2-端蓋；3-工作介質
[0024]圖2為采用本發(fā)明形成長效表面涂層的碳鋼-水熱管的工作溫度為60°C時最大溫差趨勢圖；
[0025]圖3為采用本發(fā)明形成長效表面涂層的碳鋼-水熱管的工作溫度為120°C時最大溫差趨勢圖。
【具體實施方式】
[0026]以下通過具體的實施例對本發(fā)明進行進一步的描述。
[0027]實施例1:
[0028]1.制備鍍液[0029]每升鍍液中含檸檬酸1%、乳酸0.002%、醋酸鈉2%、硫酸鎳2%、次亞磷酸鈉3%、丙酸
0.002%、碘化鉀0.01%^^一烷基苯磺酸鈉0.002%、水，余量。二氧化硅加入量為每升6g。
[0030]調節(jié)鍍液PH值為4.5。
[0031]2.管殼內外壁材料的預處理
[0032]將管殼材料(20#鋼)用噴砂處理完成除銹，再將管殼放入溫度為60°C的堿性脫脂浴(Na2C03-40g/L，NaOH-1OgL)中進行化學除油，20分鐘后取出并沖洗，最后將其放入5%的稀硫酸中進行酸洗，20分鐘后取出并沖洗。
[0033]3.管殼內外壁N1-P-SiO2涂層的施鍍
[0034]先將鍍液加熱到70°C，然后將管殼放入到鍍液中，加熱并保持鍍液溫度為80°C，維持鍍液PH值為4.5，施鍍3小時后將管殼取出，管殼內外壁就形成了復合鍍層。
[0035]4.長效熱管的封裝
[0036]將加工好的上下端蓋及管殼進行惰性氣體保護焊，再進行真空檢漏和真空除氣，然后再灌裝充液率為30%的去離子水，最后再進行封口焊接，即可得到本發(fā)明的長效碳鋼-水熱管。
[0037]5.將長效熱管在熱管壽命試驗裝置進行實驗，保持熱管工作溫度為60°C，測量冷凝段最大溫差隨時間的變化，通過圖3的溫差趨勢發(fā)現(xiàn)，長效熱管冷凝段的溫差無明顯變化，說明熱管內部無氫氣的產生，否則熱管冷凝段溫差將會很大。因此本發(fā)明的熱管在低溫區(qū)工作時，本發(fā)明能很好的抑制不凝氣的生成。
[0038]6.將長效熱管在熱管壽命試驗裝置進行實驗，保證熱管工作溫度為120°C，測量冷凝段最大溫差隨時間的變化，通過圖3的溫差趨勢發(fā)現(xiàn)，長效熱管冷凝段的溫差更小，因此熱管在高溫區(qū)工作時，本發(fā)明同樣能很好的抑制不凝氣的生成。
[0039]實施例2:
[0040]1.制備鍍液
[0041]每升鍍液中含檸檬酸1%、乳酸0.002%、醋酸鈉2%、硫酸鎳2%、次亞磷酸鈉3%、丙酸
0.002%、碘化鉀0.01%^^一烷基苯磺酸鈉0.002%、二氧化硅濃度為3g/L、水，余量。
[0042]調節(jié)鍍液PH值為4.5。
[0043]2.試樣的預處理
[0044]將一金屬試樣(20#鋼)在金相預磨機上先后用400#和1200#砂紙打磨除去氧化層和表面鐵銹，再將其放入溫度為60°C的堿性脫脂浴(Na2C0340gL，Na0H10g/L)中進行化學除油，20分鐘后取出并沖洗，最后將其放入5%的稀硫酸中進行酸洗，20分鐘后取出并沖洗。
[0045]3.試樣N1-P-SiO2涂層的施鍍
[0046]先將鍍液加熱到70°C，然后將試樣放入到鍍液中，加熱并保持鍍液溫度為80°C，并維持鍍液PH值為4.5,施鍍3小時后將試樣取出，試樣表面就形成了復合鍍層。
[0047]4.試樣的抗露點腐蝕性能檢測
[0048]將普通20#鋼和鍍有復合鍍層的試樣分別放在硫酸露點腐蝕裝置進行試驗，即可得到兩種材料的腐蝕速率。結果如表1所示，這顯示出復合鍍層在耐硫酸露點腐蝕性能方面的優(yōu)勢，相比普通碳鋼，鍍層的腐蝕速率大幅度降低，復合鍍層的腐蝕速率為5.85 μ m/a,
[0049]僅為20#鋼的十分之一不到。
[0050]表1硫酸露點腐蝕試樣參數(shù)與實驗結果[0051]
【權利要求】
1.一種應用于碳鋼-水熱管的長效表面涂層的形成方法，其特征在于所述涂層為納米顆粒強化N1-P-SiO2復合涂層，采用化學鍍的方法鍍在水熱管管殼的內外壁上，其形成方法包括如下步驟: 1)含納米顆粒的鍍液制備 1.1在以下組分中加入去離子水形成鍍液，鍍液中各組分的質量比如下:檸檬酸1%-2%、乳酸0.002%-0.005%、醋酸鈉1%_2%、硫酸鎳2%_4%、次亞磷酸鈉2_4%、丙酸0.002%-0.003%、碘化鉀 0.01%-0.02%、^^一烷基苯磺酸鈉 0.001%-0.002%、水，余量； 1.2在鍍液中添加鍍液質量的0.5-l%Si02納米顆粒，加入過程中需使用機械攪拌， 1.3對加入SiO2的鍍液進行超聲波分散，并調節(jié)鍍液pH值為4.0±0.5，即可得到含納米顆粒的復合鍍液； 2)管殼內外壁材料的預處理 先對管殼內外壁進行噴砂處理完成除銹，使工件的表面得到初步的清潔并形成粗糙度，再將管殼放入溫度為60-70°C的堿性脫脂浴中進行化學除油，最后再將管殼放入wt5%-8%的稀硫酸溶液中進行酸性活化； 3)管殼內外壁N1-P-SiO2復合鍍層的施鍍 將步驟I)制得的鍍液加熱到70°C，然后再將步驟2)得到的管殼置于鍍液，再將鍍液加熱到80°C，并使化學鍍的過程中鍍液溫度維持在80±5°C，即可在管殼內外壁形成納米顆粒強化N1-P-SiO2復合涂層。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于化學鍍的施鍍時間為2-4小時。
【文檔編號】C23C18/36GK103572267SQ201210276969
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月6日 優(yōu)先權日:2012年8月6日
【發(fā)明者】夏翔鳴, 譚金龍, 王建文, 張莉, 王元華, 侯峰 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化揚子石油化工有限公司