燃气冷凝器表面耐蚀材料的制备及腐蚀行为研究

摘要

随着全球可持续发展战略实施，天然气利用设备的应用越来越广泛。通常，燃气利用设备在运行过程中，冷凝壁面易遭受冷凝介质的腐蚀从而导致设备的工作寿命缩短。因此，防腐和传质、传热强化技术是解决燃气利用设备腐蚀问题及设备研发的关键。
　　首先，通过化学镀制备出Ni-Cu-P、Ni-Mo-P与Ni-W-P等多元合金镀层，考察了其在天然气冷凝液中的耐腐蚀性能，结果表明合金元素性质和镀液性质对化学镀层的结构与性能产生重要影响。所制备的化学镀Ni-P与Ni-Cu-P合金呈非晶态，而Ni-Mo-P和Ni-W-P则为混晶态。Ni-Cu-P镀层表面平滑，晶粒细化;Ni-W-P和Ni-Mo-P镀层表面较粗糙，结构较致密;与其他合金相比，Ni-Cu-P镀层耐烟气冷凝介质腐蚀性最强，是铜质冷凝换热器的最佳保护镀层。
　　其次，通过考察稳定剂性质、还原剂和CuSO4浓度、介质温度及热处理温工艺对Ni-Cu-P镀层的形貌，结构与性能的影响，结果得出化学镀溶液中，CuSO4浓度的升高导致镀层中Cu含量增加而Ni、P元素含量则下降，镀层结构的晶化过程导致镀层的耐腐蚀性下降。钼酸钠作稳定剂时，Ni-Cu-P镀层的耐蚀性最强。镀液中次磷酸钠浓度增大，Ni-Cu-P镀层中P含量升高，耐腐蚀性能增强。镀液中适量引入稀土Ce4+可使镀层晶粒细化，镀层表面致密光滑，耐蚀性能增强，过量的Ce4+浓度反而不利于镀层的沉积。热处理可改善Ni-Cu-P镀层的耐蚀性，低于300℃下热处理导致Ni-Cu-P镀层为非晶态，从而进一步改善镀层耐蚀性;进一步提高温度至400℃时，Ni-Cu固溶体和Ni5P2相易在镀层内部析出，镀层电位分布不均削弱了镀层耐蚀性能;相比之下，500℃热处理易导致镀层内部Ni3P相沉积，晶粒增大，表面电位均匀，耐蚀性提高。
　　再次，通过考察冷凝介质温度、成分、阴离子浓度等对Ni-Cu-P镀层腐蚀行为的影响，发现Ni-Cu-P镀层的耐蚀机理为:镀层表面的Ni发生选择性溶解，P和Cu得到富集，P富集的形成进一步抑制了镀层腐蚀过程的进行。在镀层中引入少量铜，不仅可加速富P层的形成过程，而且使镀层析氢过电位增高，从而使合金镀层的耐蚀性能增强。腐蚀介质温度的升高，Ni-Cu-P镀层的耐蚀性下降。此外，阴离子的性质对镀层的耐蚀性也产生重要影响，在较低的离子浓度下，NO3-离子的氧化作用在促进镀层钝化方面起主导作用，而在较高的离子浓度下，Cl-和SO42-较强的化学吸附作用促进富P层钝化膜的形成。
　　最后，通过熔炼法制备了铝硅合金并通过化学转化法在铝硅合金表面制备了稀土转化膜，考察了工艺参数对稀土转化膜结构与耐燃气冷凝介质腐蚀性能的影响，结果表明:铝硅合金中含硅13％的情况下，铝硅合金共晶体易在集体中均匀沉积，此时合金耐蚀性较强。进一步增加硅含量，易导致纤维状的共晶体减少，此时，块状初晶硅则析出，导致合金电位分布不均，从而加速了合金的局部腐蚀。
　　最佳的铝硅合金铈转化膜的工艺参数如下:硝酸铈:14g/L;高锰酸钾:1.5g/L;过硫酸钾:1.0g/L;氟化钠:0.8g/L;转化液pH值:2;转化时间:1h，转化温度:室温。所制备的Ce-Mn转化膜与基体紧密的相结合，为非晶态结构，主要由Ce和Mn的氧化物、氢氧化物组成，该膜层可抑制腐蚀微电池的形成，表现良好的耐烟气冷凝液的腐蚀性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 燃气锅炉发展概况

1．2 冷凝式换热器的发展现状

1．3 燃气冷凝介质概况

1．4 冷凝式换热器防腐蚀技术的研究概况

1．4．1 耐蚀材料的研究概况

1．4．2 表面防腐蚀改性的研究概况

1．5 选题的目的及研究内容

2 化学镀Ni-P合金的制备及耐冷凝介质腐蚀性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验仪器及设备

2．1．2 实验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 镀层的结构与成分分析

2．2．2 镀层形貌表征

2．2．3 镀层极化曲线实验

2．2．4 镀层的交流阻抗测试

2．2．5 全浸腐蚀实验

2．3 本章小节

3 工艺参数对Ni-Cu-P镀层结构与性能的影响

3．1 实验部分

3．1．1 试样的制备

3．1．2 试样的表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 硫酸铜浓度对Ni-Cu-P合金镀层的影响

3．2．2 添加剂对镀层耐蚀性的影响

3．2．3 次磷酸钠浓度对合金镀层耐蚀性的影响

3．2．4 稀土Ce4+浓度对Ni-Cu-P镀层的影响

3．2．5 不同温度热处理对台金镀层结构及耐腐蚀性能的影响

3．3 本章小结

4 化学镀Ni-Cu-P合金耐冷凝介质腐蚀行为研究

4．1 实验部分

4．2 结果与讨论

4．2．1 化学镀Ni-Cu-P合金耐冷凝介质腐蚀机理研究

4．2．2 不同温度冷凝介质中Ni-Cu-P镀层的腐蚀行为研究

4．2．3 阴离子性质对Ni-Cu-P镀层腐蚀行为的影响

4．3 本章小结

5 铝硅合金的制备及耐冷凝液腐蚀性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验药品

5．2．2 实验仪器

5．2．3 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 铝硅台金金相显微组织分析

5．3．2 铝硅合金耐蚀性能测试分析

5．3．3 铝硅合金表面腐蚀产物成分分析

5．4 本章小结

6 铝硅合金稀土转化膜的制备及耐冷凝介质腐蚀行为研究

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 实验仪器及药品

6．2．2 试样预处理

6．2．3 制备转化膜

6．3 稀土转化膜的表征

6．3．1 物理性能测试

6．3．2 形貌及成分测试

6．3．3 晶体结构测试

6．3．4 耐蚀性能测试

6．4 结果与讨论

6．4．1 转化膜制备工艺的优化

6．4．2 工艺参数对稀土转化膜的影响

6．4．3 Ce-Mn转化膜耐燃气冷凝介质腐蚀性能研究

6．5 本章小结

结论

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点汇总

致谢