王小雨, 徐文芳, 梁 平, 李忠誠
(遼寧石油化工大學 機械工程學院,遼寧 撫順113001)
換熱器是許多工業(yè)部門的通用設備,在生產(chǎn)中占有重要地位。由于介質(zhì)處理未達標,導致?lián)Q熱管束在運行過程中產(chǎn)生結垢現(xiàn)象。在循環(huán)冷卻水中,碳酸鈣是污垢的主要成分[1]。污垢將降低換熱效率,增加介質(zhì)流動阻力,造成能源浪費和設備損失[2-3]。因此,對于換熱管束防垢阻垢方法的研究已引起人們的重視。研究表明[4-6]:磁控濺射和離子注入可以改善阻垢性能,但處理成本高。
化學鍍層具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕、自潤滑等優(yōu)點[7],應用廣泛。本文采用化學鍍技術在20#鋼表面沉積Ni-P合金鍍層。之后,通過向氫氧化鈣溶液中通入CO2的加速結垢方法,考察了鍍層對20#鋼的阻垢效果,并分析了阻垢機制。
實驗材料為20#鋼。將試樣切割成10 mm×10mm×5mm 的正方形試樣和50mm×25mm×2mm的長方形試樣。正方形試樣用于電化學測試,長方形試樣用于污垢沉積試驗。
硫酸鎳28g/L,乙酸鈉16g/L,次磷酸鈉30 g/L,乳酸20mL/L,pH值5.0~5.5,88℃,1h。
采用附帶能譜儀的TESCAN 型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌并分析其成分。采用島津-7000型X 射線衍射儀(XRD)測試鍍層的結構。采用TR110型袖珍式粗糙度儀測試基體和鍍層的粗糙度。
采用PARSTAT2273型電化學測試系統(tǒng)進行極化曲線測試。工作電極為鍍層,輔助電極為石墨,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),電位均相對于SCE。測試前,各試樣先在通入CO2的1.0g/L 的氫氧化鈣溶液中于-1.3V 下除膜3min,然后浸泡1h,待開路電位穩(wěn)定后測試極化曲線。極化曲線的掃描速率為1.0mV/s。
污垢沉積試驗在恒溫水浴鍋中進行,溫度設置為60℃。實驗溶液為1.0g/L的氫氧化鈣溶液,并通過流量計向溶液中持續(xù)通入CO2。20#鋼和鍍層試樣采取掛片方法沉積污垢,時間為72h。
圖1為Ni-P化學鍍層的掃描電鏡圖像。由圖1可知:鍍層由胞狀物組成,均勻、致密,不存在空洞等缺陷,但局部存在少量晶胞聚集的現(xiàn)象。這是由于20#鋼表面打磨的劃痕增加了Ni-P 化學鍍層的沉積中心,鍍層在這些劃痕處優(yōu)先沉積,并逐漸外延分層長大。隨著鍍層的生長,形成了堆積狀的外形,即表面形成許多胞狀物[8]。
圖1 Ni-P化學鍍層的掃描電鏡圖像
圖2為Ni-P化學鍍層的EDS譜圖。測試結果表明:鍍層中Ni的質(zhì)量分數(shù)為89.07%,P 的質(zhì)量分數(shù)為10.93%。根據(jù)P 的質(zhì)量分數(shù)可知,該工藝所得鍍層屬高磷合金鍍層。
圖3為Ni-P化學鍍層的X 射線衍射圖。由圖3可知:在衍射角約為45°處出現(xiàn)了類似“饅頭狀”的衍射峰,表明鍍層為典型的非晶態(tài)結構。
對20#鋼及鍍層的粗糙度進行測試。結果表明:20#鋼的粗糙度為2.66μm 左右,而Ni-P 化學鍍層的粗糙度為1.15μm 左右,鍍層降低了20#鋼的粗糙度。
圖2 Ni-P化學鍍層的EDS譜圖
圖3 Ni-P化學鍍層的X 射線衍射圖
圖4為20#鋼和鍍層試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中浸泡72h后的宏觀形貌。由圖4可知:20#鋼和Ni-P化學鍍層表面的沉積物均為白色,但前者表面的沉積物較厚,而后者表面的沉積物較薄。
圖4 不同試樣在通入CO2 的氫氧化鈣溶液中形成的污垢的宏觀形貌
采用掃描電鏡對沉積物進行微觀形貌觀察,結果見圖5。由圖5可知:20#鋼表面的白色沉積物顆粒較大,分布較為均勻;而Ni-P化學鍍層表面的沉積物分布不均勻。
圖6為污垢的X射線衍射圖。由圖6可知:20#鋼和鍍層試樣表面白色沉積物相中Ca元素的質(zhì)量分數(shù)分別為29.50%和2.75%。采用XRD對白色沉積物相進行測試,兩者成分相同,均為CaCO3。
圖5 不同試樣在通入CO2 的氫氧化鈣溶液中形成的污垢的微觀形貌
圖6 污垢的X 射線衍射圖
從宏觀和微觀圖像上均可以看出,Ni-P化學鍍層起到了阻垢作用。
圖7 為20#鋼和Ni-P化學鍍層試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中的極化曲線。由圖7可知:兩種試樣的極化曲線都存在明顯的鈍化區(qū)間,且Ni-P化學鍍層比20#鋼表現(xiàn)出更低的致鈍電流密度和維鈍電流密度。20#鋼和Ni-P 化學鍍層在該溶液中的自腐蝕電流密度分別為8.410μA/cm2和2.078μA/cm2。因而,鍍層表現(xiàn)出更好的耐蝕性。
圖7 不同試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中的極化曲線
以上測試結果表明,鍍層具有良好的阻垢效果。其原因可歸納為:(1)20#鋼基體表面沉積的鍍層呈現(xiàn)出更低的粗糙度,提高了20#鋼基體的光潔度,降低了污垢在試樣表面的附著力;(2)由于制備的鍍層為非晶態(tài),非晶鍍層表面的金屬鍵分布無方向性,具備一定的防污垢性能[9];(3)換熱器管束在結垢過程中也發(fā)生著腐蝕,而且腐蝕產(chǎn)物也可能促進污垢的形成,因此,如果腐蝕行為能夠得到減輕,污垢的形成速率也將得到減緩。Ni-P 化學鍍層比基體表現(xiàn)出更好的抗腐蝕性能,減少了腐蝕產(chǎn)物的形成數(shù)量,在一定程度上也有利于阻礙污垢的形成概率和形成速率。
采用該工藝制備的Ni-P化學鍍層,在通入CO2的氫氧化鈣溶液中表現(xiàn)出良好的阻垢性能。這主要是與鍍層致密、粗糙度低、耐蝕性良好有關。
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