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Ni-P 化學鍍層阻垢性能研究

2015-01-29 02:15:06王小雨徐文芳李忠誠
電鍍與環(huán)保 2015年5期
關鍵詞:阻垢氫氧化鈣污垢

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)

0 前言

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。

1 實驗

1.1 實驗材料

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。

1.2 工藝流程

1.3 鍍液組成及工藝條件

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。

1.4 測試方法

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。

2 結果與討論

2.1 鍍層的表面形貌和成分

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。

2.2 鍍層的結構

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。

2.3 鍍層的粗糙度

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

2.4 阻垢效果試驗

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。

2.5 鍍層的耐蝕性

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

2.6 阻垢原因分析

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。

3 結論

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。

[1]楊慶峰,顧安忠,丁潔,等.換熱面上碳酸鈣的結垢行為及垢形[J].化工學報,2002,53(9):924-930.

[2]林冰.換熱器污垢及阻垢研究的現(xiàn)狀[J].山東化工,2013,42(2):57-60.

[3]徐志明,杜祥云,董鵬飛,等.2種CaCO3溶液配制法下板式換熱器的污垢特性[J].化學工程,2013,41(10):22-25.

[4]任曉光,ZHAO Q,MULLER-STEINHAGEN H.磁控濺射DLC表面降低池式沸騰下CaSO4污垢生成[J].化工學報,1999,50(3):404-406.

[5]任曉光,劉嘉敏,劉長厚.表面離子注入降低池式沸騰條件下CaSO4污垢生成[J].高等化學工程學報,2001,15(5):415-419.

[6]王燕,劉明言,王澤珍,等.銅板表面濺射MgF2在池沸騰條件下抗CaCO3污垢性能[J].化學工業(yè)與工程,2008,25(3):220-223.

[7]ZHAO Q.Effect of surface free energy of graded Ni-P-PTFE coating on bacterial adhesion[J].Surface and Coatings Technology,2004,185(2/3):199-204.

[8]郝龍,程慶,黃文全,等.不銹鋼化學鍍Ni-P合金在H2SO4溶液中的腐蝕行為[J].中國腐蝕與防護學報,2009,29(1):55-57.

[9]于曉鵬.化學鍍在Ni-P合金技術在換熱器管束防腐中的應用[J].石油化工設備技術,2000,21(5):39-41.

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