CN103572267B - 一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法，所述涂层为纳米颗粒强化Ni-P-SiO₂复合涂层，采用化学镀的方法镀在水热管管壳的内外壁上，包括如下步骤：1）含纳米颗粒的镀液制备2）；管壳内外壁材料的预处理；3）管壳内外壁Ni-P-SiO₂复合镀层的施镀。本发明用化学镀的方法在热管内壁形成的复合涂层，可以阻隔碳钢和水接触，抑制不凝性气体的生成，提高热管传热性能，同时还能增强热管外壁的露点耐腐蚀性能，提高热管环境适应性。

Description

一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法

技术领域

本发明涉及一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法，具体地说，是采用化学镀的方法在热管管壳内外壁表面形成纳米颗粒Ni-P-SiO₂复合涂层，从而使管壳内壁材料不会与工作介质反应生成氢气，同时使管壳外壁材料具有抗露点腐蚀的能力。

背景技术

热管是一种新型、高效的传热元件，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。热管因具有很高的导热性、优良的等温性、恒温特性等许多优良特性，而被广泛应用于化工及石油化工行业、冶金行业、电子电器工程中。我国自80年代初开始将热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，重点开发了容易在工业中推广使用的碳钢—水热管换热器。碳钢—水热管的优点是结构简单、价格便宜，但由于作为壳体的碳钢和作为工作介质的水在一定温度条件下会发生化学反应产生氢气，氢气是一种不凝性气体，热管工作时氢气会被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，传热性能恶化，严重时冷凝段全部被不凝性气体占据导致热管失效。因此如何解决碳钢—水热管的相容性问题成了人们研究的重点。

目前解决碳钢水热管不相容的方法有两类，第一类是阻止或延缓热管内碳钢和水生成氢气的反应，第二类是在反应发生后用各种方法消除氢气。在实际使用中多采用第一类方法，因为第二类方法虽然能将产生的氢气除去，但管壁材料会随着工作时间的增长发生腐蚀，引起强度下降，甚至会穿孔使热管完全失效，其次储氢合金或固态氧化剂的添加会增加热管制造成本，还会给制造过程带来一定的麻烦。在解决相容性问题时，人们采用管壁钝化和加缓蚀剂的双重手段，但不管是理论研究还是实践证明，该法只能减缓不凝性气体的产生而不能彻底消除之，现在碳钢水热管的使用寿命在2-3年，仍远不能满足工业需要。

同时在空气预热器中使用碳钢-水热管还面临着露点腐蚀的问题，这是因为用来预热空气的烟气中会含有约0.2%的二氧化硫，其中1%~2%的二氧化硫经灰分和金属氧化物等的催化作用而生成三氧化硫，它再与燃烧气体和空气中所含的水分结合生成硫酸，当环境温度处于130～150℃以下时，烟气中的硫酸出现露点，即在金属表面凝结并对其产生腐蚀。该设备腐蚀问题，与普通的大气腐蚀不同，这种腐蚀不仅使普通碳钢遭受腐蚀，而且使不锈钢也受腐蚀。因此有必要研发一种外壁能抗露点腐蚀的长效热管。

发明目的

本发明的目的是研制一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法，本方法采用化学镀的方法在热管内、外壁形成复合涂层，既可阻止内壁碳钢和水发生反应生成氢气，防止氢气积聚在冷凝段影响传热，又可提高热管外壁的耐露点腐蚀能力，从而提高热管的使用效率和寿命。

本发明所述应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法是在管壳内外壁镀有纳米颗粒强化Ni-P-SiO₂复合涂层，该涂层是采用化学镀的方法形成，具体形成步骤如下：

1）含纳米颗粒的镀液制备

1.1在以下组分中加入去离子水形成镀液，镀液中各组分的质量比如下：柠檬酸1%-2%、乳酸0.002%-0.005%、醋酸钠1%-2%、硫酸镍2%-4%、次亚磷酸钠2-4%、丙酸0.002%-0.003%、碘化钾0.01%-0.02%、十一烷基苯磺酸钠0.001%-0.002%、水，余量；

1.2在镀液中添加镀液质量的0.5-1%SiO₂纳米颗粒，加入过程中需使用机械搅拌，

1.3对加入SiO₂的镀液进行超声波分散，并调节镀液pH值为4.0±0.5，即可得到含纳米颗粒的复合镀液；

2）管壳内外壁材料的预处理

先对管壳内外壁进行喷砂处理完成除锈，使工件的表面得到初步的清洁并形成粗糙度，再将管壳放入温度为60-70℃的碱性脱脂浴中进行化学除油，最后再将管壳放入wt5%-8%的稀硫酸溶液中进行酸性活化；

3）管壳内外壁Ni-P-SiO₂复合镀层的施镀

将步骤1）制得的镀液加热到70℃，然后再将步骤2）得到的管壳置于镀液，再将镀液加热到80℃，并使化学镀的过程中镀液温度维持在80±5℃，即可在管壳内外壁形成纳米颗粒强化Ni-P-SiO₂复合涂层。

上述的化学镀施镀时间为2-4小时。

本发明具有如下优点：

1）抑制不凝性气体的生成，提高传热性能

本发明用化学镀的方法在热管内壁形成的复合涂层，可以阻隔碳钢和水接触，防止生成不凝气的反应发生。热管的有效冷凝面积就不会随着工作时间的增长而减小，热管的传热效率也不会逐渐降低。

2）增强热管外壁的露点耐腐蚀性能，提高热管环境适应性

采用本发明在长效热管内外壁形成的纳米颗粒复合涂层，由于纳米粒子的加入为基体表面提供了更多的活性形核点，这样沉积时单位面积上的沉积核心就越多，复合镀层也变得更加致密，这样必然使得镀层的耐腐蚀性能更加优异，提高热管外壁的耐露点腐蚀能力。

附图说明

图1为采用本发明形成长效表面涂层的碳钢-水热管结构示意图；

图1中，1-新型管壳；2-端盖；3-工作介质

图2为采用本发明形成长效表面涂层的碳钢-水热管的工作温度为60℃时最大温差趋势图；

图3为采用本发明形成长效表面涂层的碳钢-水热管的工作温度为120℃时最大温差趋势图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明进行进一步的描述。

实施例1：

1.制备镀液

每升镀液中含柠檬酸1%、乳酸0.002%、醋酸钠2%、硫酸镍2%、次亚磷酸钠3%、丙酸0.002%、碘化钾0.01%、十一烷基苯磺酸钠0.002%、水，余量。二氧化硅加入量为每升6g。

调节镀液PH值为4.5。

2.管壳内外壁材料的预处理

将管壳材料（20#钢）用喷砂处理完成除锈，再将管壳放入温度为60℃的碱性脱脂浴（Na₂CO₃-40g/L，NaOH-10gL）中进行化学除油，20分钟后取出并冲洗，最后将其放入5%的稀硫酸中进行酸洗，20分钟后取出并冲洗。

3.管壳内外壁Ni-P-SiO₂涂层的施镀

先将镀液加热到70℃，然后将管壳放入到镀液中，加热并保持镀液温度为80℃，维持镀液PH值为4.5，施镀3小时后将管壳取出，管壳内外壁就形成了复合镀层。

4.长效热管的封装

将加工好的上下端盖及管壳进行惰性气体保护焊，再进行真空检漏和真空除气，然后再灌装充液率为30%的去离子水，最后再进行封口焊接，即可得到本发明的长效碳钢-水热管。

5.将长效热管在热管寿命试验装置进行实验，保持热管工作温度为60℃，测量冷凝段最大温差随时间的变化，通过图3的温差趋势发现，长效热管冷凝段的温差无明显变化，说明热管内部无氢气的产生，否则热管冷凝段温差将会很大。因此本发明的热管在低温区工作时，本发明能很好的抑制不凝气的生成。

6.将长效热管在热管寿命试验装置进行实验，保证热管工作温度为120℃，测量冷凝段最大温差随时间的变化，通过图3的温差趋势发现，长效热管冷凝段的温差更小，因此热管在高温区工作时，本发明同样能很好的抑制不凝气的生成。

实施例2：

1.制备镀液

每升镀液中含柠檬酸1%、乳酸0.002%、醋酸钠2%、硫酸镍2%、次亚磷酸钠3%、丙酸0.002%、碘化钾0.01%、十一烷基苯磺酸钠0.002%、二氧化硅浓度为3g/L、水，余量。

调节镀液PH值为4.5。

2.试样的预处理

将一金属试样（20#钢）在金相预磨机上先后用400#和1200#砂纸打磨除去氧化层和表面铁锈，再将其放入温度为60℃的碱性脱脂浴（Na₂CO₃40gL，NaOH10g/L）中进行化学除油，20分钟后取出并冲洗，最后将其放入5%的稀硫酸中进行酸洗，20分钟后取出并冲洗。

3.试样Ni-P-SiO₂涂层的施镀

先将镀液加热到70℃，然后将试样放入到镀液中，加热并保持镀液温度为80℃，并维持镀液PH值为4.5，施镀3小时后将试样取出，试样表面就形成了复合镀层。

4.试样的抗露点腐蚀性能检测

将普通20#钢和镀有复合镀层的试样分别放在硫酸露点腐蚀装置进行试验，即可得到两种材料的腐蚀速率。结果如表1所示，这显示出复合镀层在耐硫酸露点腐蚀性能方面的优势，相比普通碳钢，镀层的腐蚀速率大幅度降低，复合镀层的腐蚀速率为5.85μm/a，

仅为20#钢的十分之一不到。

表1硫酸露点腐蚀试样参数与实验结果

其中，当量腐蚀速率计算公式如下：

$V=\frac{10000(m_0-m_1)}{\mathrm{\ρS}\·T}$

式中，ν为试样腐蚀速率（μm/h）

m₀为试样原始重量（g）；

m₁为试样腐蚀后重量（g）；

ρ为试样材料的密度（g/cm³）

S为试样的面积（cm²）；

T为当量试验时间（a）。

通过实施例1和2可以发现，由于管壳内外壁表面镀有纳米颗粒Ni-P-SiO₂复合涂层，因此能抑制不凝性气体H2的产生，保持热管传热能力，同时具备良好的抗露点腐蚀能力。

Claims (2)

1.一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法，其特征在于所述涂层为纳米颗粒强化Ni-P-SiO₂复合涂层，采用化学镀的方法镀在水热管管壳的内外壁上，其形成方法包括如下步骤：

1)含纳米颗粒的镀液制备

1.1在以下组分中加入去离子水形成镀液，镀液中各组分的质量比如下：柠檬酸1％-2％、乳酸0.002％-0.005％、醋酸钠1％-2％、硫酸镍2％-4％、次亚磷酸钠2-4％、丙酸0.002％-0.003％、碘化钾0.01％-0.02％、十一烷基苯磺酸钠0.001％-0.002％、水，余量；

1.2在镀液中添加镀液质量的0.5-1％SiO₂纳米颗粒，加入过程中需使用机械搅拌，

1.3对加入SiO₂的镀液进行超声波分散，并调节镀液pH值为4.0±0.5，即可得到含纳米颗粒的复合镀液；

2)管壳内外壁材料的预处理

先对管壳内外壁进行喷砂处理完成除锈，使工件的表面得到初步的清洁并形成粗糙度，再将管壳放入温度为60-70℃的碱性脱脂浴中进行化学除油，最后再将管壳放入5wt％-8wt％的稀硫酸溶液中进行酸性活化；

3)管壳内外壁Ni-P-SiO₂复合镀层的施镀

将步骤1)制得的镀液加热到70℃，然后再将步骤2)得到的管壳置于镀液，再将镀液加热到80℃，并使化学镀的过程中镀液温度维持在80±5℃，即可在管壳内外壁形成纳米颗粒强化Ni-P-SiO₂复合涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于化学镀的施镀时间为2-4小时。