一种应用于碳钢-水热管的长效表面涂层的形成方法

摘要

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-SiO

说明书

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：

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

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。