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延長陶瓷羅拉使用壽命的探索

2016-12-30 00:58吳春其
關(guān)鍵詞:封孔羅拉使用壽命

吳春其

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)

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延長陶瓷羅拉使用壽命的探索

吳春其

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)

采用化學(xué)定性、物質(zhì)定量分析方法,對腐蝕產(chǎn)物的形成原因進行分析,并提出了解決對策。通過改善加工工藝、更換陶瓷材質(zhì)、封孔材料等措施,使得陶瓷羅拉在腈綸工藝中延長使用壽命。

陶瓷 熱膨脹系數(shù) 等離子噴涂 羅拉 腐蝕

某公司腈綸生產(chǎn)裝置中的熱牽伸羅拉采用316材質(zhì),表面噴涂Al2O3為基材的陶瓷,介質(zhì)主要是含有微量NaCl的NaSCN溶液,其溫度變化范圍為常溫到100 ℃。陶瓷羅拉表面的耐磨性較好,消除了因羅拉表面劃痕毛糙對生產(chǎn)造成的影響,但是近年來陶瓷羅拉因表面起泡、起殼而被迫更換的情況時有發(fā)生,羅拉的使用壽命不長,平均使用壽命僅為1年左右。由于陶瓷羅拉數(shù)量較多,更換比較頻繁,因此文章對羅拉因表面起泡、起殼原因進行分析和研究,從改善加工工藝、優(yōu)化陶瓷材質(zhì)、封孔材料等方面尋求解決辦法。

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

對失效陶瓷片中的綠色物質(zhì)(見圖1,圖內(nèi)黑色物質(zhì)是陶瓷本體,綠色物質(zhì)是腐蝕體)進行分析,加入少量鹽酸(水與HCl體積比為1∶1),發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)表面出現(xiàn)大量氣泡,反應(yīng)劇烈,綠色物質(zhì)也慢慢溶解,反應(yīng)過程中出現(xiàn)H2S的臭雞蛋味道,反應(yīng)完成后仍然剩余大量黑色物質(zhì),反應(yīng)后的溶液呈綠色,初步判斷物質(zhì)中含有一些在酸性溶液中有色的金屬物質(zhì),另外還含有少量的硫化物。

圖1 失效樣品

1.2 能譜定性分析

為了進一步確定失效物質(zhì)的化學(xué)組成,對實效樣品表面的綠色物質(zhì)進行了能譜分析。

分析結(jié)果顯示:綠色物質(zhì)含有陶瓷粉的Al、Ti和O成分,又含有Ni和Cr,表面綠色物質(zhì)中Cr和Ni的吸收峰比例較黑色物質(zhì)中的要高些,同時,兩者中都有了S的吸收峰,要確定還需要用等離子發(fā)射光譜和元素分析儀進一步確認。

1.3 不明綠色物質(zhì)定量分析

分別取黑色物質(zhì)(未腐蝕陶瓷)、含黑色物質(zhì)的綠色物質(zhì)(已腐蝕陶瓷)以及從樣品綠色斑點刮下來的綠色物質(zhì)(腐蝕體)用酸溶解、過濾,分析其金屬離子含量,同時,取少量上述物質(zhì),分別用元素分析儀O模式和CHNS模式定量,定量的測試結(jié)果見表1。

表1 元素定量測試結(jié)果 %(質(zhì)量分數(shù))

由等離子發(fā)射光譜測試的金屬離子含量的結(jié)果可知:黑色物質(zhì)主要為陶瓷成分,Al的含量很高,樣品表面刮下來的綠色物質(zhì)主要是Ni或Cr的氧化物或其他鹽類,氧化鎳為綠色至黑綠色立方晶系粉末,不溶于水、堿液,溶于酸等。另外,由元素分析儀的測試結(jié)果可知:表面刮下來的綠色物質(zhì)中的氧含量很高,同時含有一定量的硫,而含有綠色物質(zhì)的黑色物質(zhì)中兩者的含量均不高。封口材料中的無機金屬離子含量不高,碳含量很高,硫的質(zhì)量分數(shù)為2.75%。

1.4 使用介質(zhì)定量分析

對羅拉水溶液進行定性定量分析,測試結(jié)果見表2。

表2 不同介質(zhì)水溶液的液相色譜定量結(jié)果 %(質(zhì)量分數(shù))

2 失效原因分析

2.1 熱噴涂技術(shù)簡介

熱噴涂技術(shù)的原理是利用各種不同的熱源,將預(yù)噴涂的各種材料如金屬、合金、陶瓷、塑料及其各類復(fù)合材料加熱至熔化或熔融狀態(tài),借助氣流的高速霧化形成微粒霧流沉積在已預(yù)處理的工件表面形成堆積狀,與基體緊密結(jié)合的涂層。

在實用的陶瓷熱噴涂材料中,應(yīng)用最廣泛的氧化材料是Al2O3、ZnO2、SiO2等以及其復(fù)合材料,它們都具有耐熱性、耐蝕性、耐磨性、絕熱性、絕緣性等優(yōu)異性能;其他非氧化物材料以碳化物為主,常用的有WC、TiC、Cr3C2等,它們具有某些特殊的性能,如W2C與WC的共晶混合物屬于最硬、最耐磨材料之一。這些碳化物一般不單獨用來噴涂,而與Co、Ni、Ni-Cr等金屬制成陶瓷-金屬復(fù)合材料使用。

當需要在金屬基體上噴涂陶瓷涂層時,以要先在金屬基體上噴涂一層合金粘結(jié)底層,提高表面陶瓷涂層與基體金屬之間結(jié)合強度,同時緩解兩者之間熱物理性能的差別。在基體尺寸形狀或結(jié)構(gòu)難于進行噴砂或粗化處理時,也推薦采用粘結(jié)底層。

2.2 陶瓷層剝落失效的主要原因

(1)影響涂層壽命的因素很多,主要有涂層殘余應(yīng)力、涂層的屈曲失效、涂層的接觸疲勞失效、熱震、涂層孔隙等。由于噴涂工藝上的原因,涂層內(nèi)部會存在孔隙,使涂層綜合力學(xué)性能下降,易造成涂層失效,因此涂層孔隙是涂層的關(guān)鍵問題之一。因為在噴涂過程中,熔融態(tài)的顆粒高速沉積在基體上形成涂層,這就決定了涂層孔隙不可避免??紫兜拇嬖谥饕獙ν繉訌椥阅A?、涂層熱應(yīng)力以及涂層熱物理性能產(chǎn)生影響從而引起涂層失效??紫兜拇嬖谝步档土送繉釉诟g環(huán)境中的使用壽命。

(2)原先陶瓷羅拉的加工工藝為:羅拉(表面材質(zhì)為SUS316)經(jīng)磨床加工至要求的尺寸,然后進行噴砂處理達到表面粗化的效果,通過超音速火焰噴涂的方法先用Ni-Cr粉作為合金粘結(jié)底層,再用Al2O3作為陶瓷噴涂材料,進行噴涂。噴涂厚度一般在0.25~0.35 mm,噴涂完成后再用石蠟進行封孔處理,最后羅拉表面上磨床加工至技術(shù)要求。從原來的羅拉加工工藝可以看出,缺少高溫清潔步驟。眾所周知,在機械加工、運輸過程中會留下油污、灰塵等雜物,如果在噴涂陶瓷前沒有清除這些雜質(zhì),使得粘結(jié)底層與基材的黏合力降低,從而引起陶瓷易剝落。

(3)通過對羅拉噴涂材料以及失效材料進行分析發(fā)現(xiàn):陶瓷羅拉表面綠色不明物質(zhì)成分主要為Ni和Cr的氧化物或鹽類,由于陶瓷表面存在缺陷或表面破壞,使K-2105水溶液和空氣中的水、CO2、SO2等滲透至基材316L,造成腐蝕形成。

(4)通過對羅拉的原封孔材料進行耐熱性實驗、以及觀察封孔材料在NaSCN的物理化學(xué)狀態(tài)發(fā)現(xiàn):封孔材料在60 ℃狀態(tài)下會完全熔化,在51%NaSCN溶液中能完全溶解。而羅拉實際的工作環(huán)境是在溫度100 ℃左右、含有微量NaCl的NaSCN溶液中,也就是說正常工作時,該封孔劑已經(jīng)失效,NaSCN溶液本是一種強腐蝕劑,沿著陶瓷微小空隙慢慢滲透,致使陶瓷失效。

由此可以初步判斷:造成腐蝕的原因就是腐蝕環(huán)境和涂層孔隙,而封孔材料在K-2105浴槽的近100 ℃環(huán)境下已完全熔化,且在NaSCN溶液內(nèi)失效。因此減少涂層孔隙率,并選擇合適的封孔材料能有效降低腐蝕影響。

3 解決方案

3.1 選用合理的材料

3.1.1 NiCr粉(粘結(jié)底層)

這類涂層具有抗氧化、抗熱震、耐磨、耐大氣腐蝕等性能,與基材有良好的結(jié)合力。由于這些涂層的熱膨脹系數(shù)介于金屬和陶瓷之間,因此能對基體和工作涂層因膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力起“緩沖”作用,能大大增加工作面層與基材的結(jié)合力。

NiCr涂層除具有上述特性外,還有著良好的耐腐蝕性能,尤其在大部分強酸中,耐蝕性上佳。其中NiCr合金具有良好的耐熱耐蝕性,常用的成份是80%Ni+20%Cr。NiCr涂層化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)為:Cr,18.21%;C,0.14%;B,1.17%;Ni,79.43%;Si,1.04%。

3.1.2 Cr2O3粉

Cr2O3粉呈深墨綠色,遮蓋能力很強,其涂層致密,硬度高,拋光性能好,耐磨粒、硬面和纖維磨損,抗磨損性能優(yōu)良,在摩擦磨損性能要求高的機器零件中得了廣泛的應(yīng)用。

該材料化學(xué)性能十分穩(wěn)定,不溶于酸、堿、鹽及各種溶劑,具有優(yōu)異的耐介質(zhì)浸漬腐蝕性能,耐H2S、SO2等腐蝕性氣體的高溫沖蝕,對大氣、淡水和海水以及光極為穩(wěn)定,該涂層還具有極好的親水性能,在涂層表面形成一層均勻的水膜。耐腐蝕性能在陶瓷涂層中屬上乘。

Cr2O3涂層可用作540 ℃化學(xué)介質(zhì)中使用的耐磨粒磨損、硬面磨損及沖蝕和氣蝕磨損涂層。也可用作250 ℃化學(xué)介質(zhì)中使用的零部件的抗腐蝕磨損涂層(表面需先進行適當?shù)姆饪滋幚?。

選用的Cr2O3粉末為進口產(chǎn)品,由歐瑞康美科公司生產(chǎn)。顆粒尺寸為15~35 μm,化學(xué)主成分質(zhì)量分數(shù)為:Cr2O3,99.75%;Al2O3,0.03%;Cr,0.05%;MgO,0.04%;Te2O3,0.02%。

從選用的材料與原來使用的材料數(shù)據(jù)對比看,顆粒致密度更高,顆粒更細,形成的顆粒間隙更小,另外其硬度更高,不容易磨損。

3.1.3 封孔劑

原先使用的石蠟涂層封孔劑,屬于加熱硬化型,在低溫或常溫環(huán)境下,可有效地阻止各種液體或腐蝕介質(zhì)從涂層表面滲入。但羅拉工作溫度是在100 ℃,加上其滲透性能明顯低于現(xiàn)用的封孔劑,即滲入涂層深度不夠,不能有效地保護涂層與基體間的結(jié)合面免受液體的侵蝕。

因此建議選用德國產(chǎn)“LG185”封孔劑,屬常溫硬化型,以聚甲基為主劑,醇類為溶劑的有機封孔劑,其特點為易固化且與涂層結(jié)合牢固,滲入涂層內(nèi)部深達涂層基體,能降低涂層原有氣孔。

3.2 優(yōu)化加工工藝

原來的加工工藝存在缺陷,羅拉本體(不論是新制羅拉或修理羅拉)在噴涂陶瓷前,存在一層油污層,由于其存在,使得陶瓷噴涂前的Ni-Cr粉合金粘結(jié)層,粘附力不夠,并埋下了腐蝕誘因。為了有效去除殘留油污層,在粘結(jié)底層前增加蒸發(fā)工藝,是為了消除基材中微量的油污,以增加結(jié)合層粘附力。

4 結(jié)語

將根據(jù)上述加工工藝,及粘結(jié)底層、陶瓷、封孔材料應(yīng)用于新的陶瓷羅拉制作,已投入運行,使用壽命已經(jīng)達到3年,比原來的陶瓷羅拉使用壽命增加2倍有余,證明此加工工藝和新材料合理,應(yīng)用獲得成功。

[1]黃克剛.陶瓷熱噴涂.山東陶瓷,1998,21(2):26-27.

Exploration of Prolonging the Service Life of Ceramic Roller

Wu Chunqi

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.Shanghai200540)

The causes of corrosion products were analyzed with chemical qualitative and quantitative analysis methods,and countermeasures were raised accordingly.The service life of ceramic roller in acrylic fiber process were prolonged though measures as improving the processing technology,replacing the ceramic material and hole sealing materials,etc.

ceramic,coefficient of thermal expansion,plasma spraying,roller,corrosion

2016-07-13。

吳春其,男,1967年出生,1988年畢業(yè)于上海石油化工高等??茖W(xué)校,高級工程師,主要從事石油化工腈綸設(shè)備管理工作。

1674-1099 (2016)05-0030-03

TQ051.6

A

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