CN103409751B - 一种lng开架式气化器锌合金材料涂层 - Google Patents

一种lng开架式气化器锌合金材料涂层 Download PDF

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Abstract

一种LNG开架式气化器锌合金材料涂层，所述涂层是由锌合金材料组成，所述锌合金材料化学成分范围是：Al 5.3~35.4 wt%，Cu 0~6.2wt%、Y 0~5.1wt%、余量为Zn。本发明提出以Zn为基体，Al、Cu为主要合金元素，其中Zn为基体，对铝合金有良好的阴极保护作用，Al能形成致密的Al2O3保护膜而使得涂层有一定的耐海水腐蚀性能，Cu的加入使得涂层的硬度更高，耐冲刷腐蚀性能更好，还可以提高涂层的耐腐蚀性。Y的加入不仅能够提高涂层的耐腐蚀性能，还能够提高材料的成型性能，使得材料能够更加方便的制备成防腐蚀涂层。

Description

一种 LNG 开架式气化器锌合金材料涂层
技术领域
本发明属于气化器涂层用材料技术领域，尤其涉及一种LNG开架式气化器锌合金材料涂层。
背景技术
天然气是优质、高效、洁净的能源，在世界能源消费结构中，的比重已从1950年的10％迅速提高到目前的24％，成为世界第三大能源。在实际应用中，液态天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）是主要的储存、运送形式，在使用前，LNG必须经过气化器气化以后，最后变成常温天然气，以气体状态通过管道输送到用户。因此，LNG气化器是整个LNG供应流程中的关键设备。目前，通常采用的是超级开架式气化器，开架式采用天然海水为加热介质，具有来源直接、资源丰富、操作成本低廉，相对其它形式的气化器具有较低的建造和运营成本，相对空温式气化器又具有较高和较稳定的加热能源，同时还具有较高的换热效率和较长的结构使用寿命。
目前，LNG开架式气化器的主要构件采用导热好的铝合金制造。由于耐腐蚀性能较差，铝合金暴露于海洋环境中时，极易发生点蚀、盐雾腐蚀等。因此，LNG汽化器关键铝合金结构件必须进行防腐处理，如表面涂层涂覆等，保证汽化器设备的安全、稳定、高效运行。
目前海洋环境下铝合金结构件广泛使用Zn-Al涂层，该涂层的制备一般以Zn-Al合金丝为原材料，通过热喷涂方法制备。涂层中Zn元素作为基体，起到牺牲阳极的作用；Al元素在腐蚀过程中可以形成致密的Al2O3保护膜，使得合金涂层不至于因腐蚀过快而失效。当Zn-Al合金涂层中Al含量较低（＜10wt%）时，涂层在高湿、高盐雾、冲刷等恶劣条件下，其耐蚀性能急剧降低，服役寿命明显缩短；当Zn-Al合金中Al含量较高时，合金的塑性降低明显，难以通过拉拔制备出合格的热喷涂用丝材。目前，LNG开架式气化器表面主要采用低Al含量Zn-Al涂层防护，两到三年就需要进行涂层维护，修复腐蚀严重部位。
Cu是Zn合金中的常用合金元素之一，少量Cu的加入可以明显改善Zn基合金的强度与塑性，例如Zn-0.1Ti合金中加入少量Cu后，其强度由150MPa提高到220MPa，延伸率由35%提高到70%。强度的提高有利于提高涂层在冲刷环境下的耐腐蚀性能，延伸率的提高使得合金能够更容易的拉制成各种规格的喷涂用丝材。此外，Cu元素在天然海水中的腐蚀电位较高，可以有效提高Zn-Al合金的腐蚀电位，还可以促进Al的钝化，稳定涂层的Al2O3保护膜，提高涂层的耐腐蚀性。
Y作为常用合金化稀土元素，加入到Zn合金基体中可形成Y2O3颗粒，能够提高材料的强度、硬度，从而提高涂层的耐冲刷腐蚀性能；Y2O3颗粒的存在可以细化合金铸锭的晶粒，热喷涂用丝材更容易制备成型；此外Y的添加稳定涂层的Al2O3保护膜，对提高涂层的耐全浸腐蚀、耐冲刷腐蚀性能均有明显效果。
因此，对Zn-A1-Cu-Y合金进行深入研究，开发出牺牲阳极涂层用新型合金，对提高涂层的服役寿命具有重要的意义。
国内外目前还没有LNG开架式气化器涂层用Zn-Al-Cu-Y系材料的相关专利或公开发表资料。中国专利CN1932428A公开了一种Al-(Zn+Mn)-Mg合金作为气化器涂层材料，所述铝合金涂层包含0.3值3.0质量%的Zn和/或Mn并限制（Zn+Mn）的含量为0.3至3.0质量%，以及包含0.3至5质量%的Mg；中国专利CN 2012152913 U公开了一种开架式气化器用Al-Zn合金涂层，Zn的质量百分比为2%~15%。欧洲专利EP 1762639A1公开了Al-(Zn+Mn)-Mg系气化器涂层，所述铝合金涂层包含0.3值3.0质量%的Zn和/或Mn并限制（Zn+Mn）的含量为0.3至3.0质量%，以及包含0.3至5质量%的Mg。以上专利的保护内容与本发明内容均不冲突。
发明内容
本发明的目的是针对LNG开架式气化器防腐需求，设计一种天然海水中腐蚀电位低于铝合金基体的长效牺牲阳极涂层用Zn-Al-Cu-Y合金，制备出防腐蚀涂层并进行系统的测试，为LNG开架式气化器腐蚀防护提供材料支撑。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种LNG开架式气化器锌合金材料涂层，所述涂层是由锌合金材料组成，所述锌合金材料化学成分范围是：Al 5.3~35.4 wt %，Cu 0~6.2wt%、 Y 0~5.1wt%、余量为Zn。
本发明所述涂层是由锌合金材料采用冷喷涂、热喷涂方法制备得到。
本发明所述涂层的厚度为180μm~520μm。
本发明所述涂层的显微硬度为75~90Kg/mm2。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明提出以Zn为基体，Al、Cu为主要合金元素，其中Zn为基体，对铝合金有良好的阴极保护作用，Al能形成致密的Al2O3保护膜而使得涂层有一定的耐海水腐蚀性能，Cu的加入使得涂层的硬度更高，耐冲刷腐蚀性能更好，还可以提高涂层的耐腐蚀性。Y的加入不仅能够提高涂层的耐腐蚀性能，还能够提高材料的成型性能，使得材料能够更加方便的制备成防腐蚀涂层。
本发明的LNG开架式气化器涂层用材料可采用冷喷涂、热喷涂等多种喷涂方法制备出防腐蚀涂层，也可以利用上述喷涂方法制备出梯度复合涂层，所述梯度复合涂层由两种以上的、不同化学成分和/或不同制备工艺的涂层组成。
该涂层具有以下优越性能：
1) 涂层在天然海水中腐蚀电位-910mV~-1080mV，低于铝合金腐蚀电位；
2) 涂层腐蚀速度小于50μm/a；
3) 涂层显微硬度为75~90Kg/mm2。
本发明通过在传统Zn-Al牺牲阳极涂层的基础上少量Cu、Y元素，在不降低传统Zn-Al涂层防护性能的基础上，提高了涂层的硬度与耐蚀性，延长了涂层的使用寿命，在LNG开架式气化器领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明做进一步说明，但这并非对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种变型或改性，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例一 ：
将Zn-Al中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Y中间合金、纯Zn粒按照化学成分Al 5.3wt %，Cu4.0wt%、 Y 0.5 wt %、余量为Zn的目标成分配料，通过熔炼制得合金铸锭。铸锭经挤压、拉丝后制成Ф3mm的Zn-Al-Cu丝，通过热喷涂在铝合金上喷涂出长效牺牲阳极涂层，涂层在海水中的腐蚀电位、显微硬度、厚度、腐蚀速率见表1。
实施例二：
将Zn-Al中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Y中间合金、纯Zn粒按照化学成分Al 35.4wt %，Cu6.2wt%、余量为Zn的目标成分配料，通过机械混料制得伪合金粉。伪合金粉通过冷喷涂在铝合金基体上制备出长效牺牲阳极涂层，涂层在海水中的腐蚀电位、显微硬度、厚度、腐蚀速率见表1。
实施例三：
将Zn-Al中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Y中间合金、纯Zn粒按照化学成分Al 20.3wt %、 Y 5.1 wt %、余量为Zn的目标成分配料，通过制得合金铸锭，铸锭经挤压、拉丝后制成Ф3mm的Zn-Al-Cu丝，通过热喷涂在铝合金上制备出长效牺牲阳极涂层，涂层在海水中的腐蚀电位、显微硬度、厚度、腐蚀速率见表1。
实施例四：
将Zn-Al中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Y中间合金、纯Zn粒按照化学成分Al 5.6wt %，Cu2.0wt%、 Y 1.3 wt %、余量为Zn的目标成分配料，机械混料制得伪合金粉。伪合金粉通过冷喷涂在铝合金基体上制备出长效牺牲阳极涂层，涂层在海水中的腐蚀电位、显微硬度、厚度、腐蚀速率见表1。
实施例五：
将Zn-Al中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Y中间合金、纯Zn粒按照化学成分Al 26.4wt %，Cu2.5wt%、 Y 3.7 wt %、余量为Zn的目标成分配料，通过熔炼制得合金铸锭。铸锭经挤压、拉丝后制成Ф2mm的Zn-Al-Cu丝，通过热喷涂在铝合金基体上制备出长效牺牲阳极涂层，涂层的在海水中的腐蚀电位、显微硬度、厚度、腐蚀速率见表1。
表1 五种实施方案长效牺牲涂层性能
*指材料在天然海水中的腐蚀电位，气化器用铝合金在天然海水中的腐蚀电位为-800~-700mV。
**热喷涂Zn-Al合金涂层的显微硬度约45~60 Kg/mm2。

Claims (1)

1.一种LNG开架式气化器锌合金材料涂层, 由锌合金材料采用冷喷涂、热喷涂方法制备得到，其特征是：所述涂层是由锌合金材料组成，所述锌合金材料化学成分范围是：Al 5.3~35.4wt%，Cu 2.0~6.2wt%、 Y 0.5~5.1wt%、余量为Zn；所述涂层的厚度为180μm~520μm；所述涂层的显微硬度为75~90Kg/mm2。
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