新型燃气冷凝器防腐涂镀层的研究

论文摘要

目前,燃气利用设备为防止酸性冷凝液的腐蚀,排烟温度一般在150℃以上,造成很大的能源浪费和环境污染。为降低其排烟温度,回收排烟的显热和潜热,同时吸收烟气中的部分有害气体,实现高效、节能、环保,腐蚀防护是其研发的关键技术之一。本文的目的是通过镀层加涂层的复合表面处理技术的研制与筛选解决燃气冷凝器的腐蚀问题,在镀层的研制中,重点研制和比较了Ni-P、Ni-Cu-P、Ni-Mo-P、Ni-W-P等化学复合镀层,采用极化曲线、交流阻抗等方法考察它们在冷凝液中的耐蚀性。结果表明,Ni-Cu-P镀层自腐蚀电流密度为0.03μA/cm2,耐蚀性最强,可以作为燃气冷凝器的防腐阻挡层。对Ni-Cu-P镀层制备工艺条件进行了优化。结果表明:钼酸钠作稳定剂、次磷酸钠浓度为35g/L、硫酸铜浓度为0.5g/L时,耐蚀性最佳。通过电子探针、XRD等成分与结构的分析,得到镀层组成为:84.7%Ni-6.23%Cu-8.6%P（wt%）,结构为非晶态。通过不同温度下冷凝液中电化学参数测试表明,Ni-Cu-P镀层自腐蚀电位和自腐蚀电流密度均小于铜,阻抗值远大于铜。因此,Ni-Cu-P镀层不仅可作为铜基体的耐蚀阻挡层,而且可以起到牺牲阳极保护层的作用,延长冷凝换热器的使用寿命。初步探索了Ni-Cu-P镀层的耐腐蚀机理。在腐蚀性介质中,镀层表面的Ni发生选择性溶解,P在表面富集,大大降低Ni溶解和Ni2+扩散的速度。Cu提高镀层稳定性,促进Ni溶解加速富P层形成。并推导了Ni-Cu-P镀层的钝化模型。为了筛选出耐腐蚀、耐水性及耐热性具佳的防腐涂层,本文采用交流阻抗、耐腐蚀和耐热性测试等手段考察了调合铝银浆、氟碳（F400、F700、F900）和聚亚胺脂等5种涂层在冷凝液中的相关性能。结果表明,氟碳F400涂层和聚亚胺脂涂层的电阻变化最小,耐腐蚀性、耐水性及耐热性能表现具佳;而其它3种涂层均表现出不同程度的缺陷,不能满足要求。聚亚胺脂涂层能比氟碳F400涂层做到更薄,达到17μm,其对传热影响很小。因此,筛选出聚亚胺脂涂层作冷凝换热器的保护涂层。初步冷凝换热器样机在北京某燃气锅炉房工程试用,耐蚀性效果显著,燃气锅炉效率提高9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 冷凝式换热器的热效率理论及社会经济效益
• 1.3 冷凝式锅炉/换热器的发展历史和应用现状
• 1.4 冷凝液成分与特性的研究概况
• 1.5 冷凝式换热器防腐蚀的研究概况
• 1.5.1 耐蚀材料的研究概况
• 1.5.2 表面防腐蚀处理的研究概况
• 1.6 化学镀的介绍
• 1.6.1 化学镀发展简史
• 1.6.2 化学镀原理与镀层性能优点
• 1.7 选题的目的及研究内容
• 2 实验方法与设备
• 2.1 化学镀层的制备工艺
• 2.1.1 实验仪器与设备
• 2.1.2 镀液组成
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 镀层的检测方法及仪器
• 2.2.1 电解液体系—天然气燃烧烟气冷凝液
• 2.2.2 镀层厚度及沉积速度的测试
• 2.2.3 极化曲线测试
• 2.2.4 交流阻抗测试（EIS）
• 2.2.5 差热分析（DSC）
• 2.2.6 表面形貌观察（SEM）
• 2.2.7 X射线衍射结构分析（XRD）
• 2.2.8 表面成分分析（EPMA）
• 2.2.9 浸泡腐蚀速率测试
• 2.3 涂层的制备工艺
• 2.3.1 氟碳树脂涂层的制备工艺
• 2.3.2 调合铝银浆与聚亚胺酯涂层的制备工艺
• 2.4 涂层的检测方法与仪器
• 2.4.1 厚度的测量
• 2.4.2 附着力测试（GB/T9286—1998）
• 2.4.3 耐腐蚀性测试（GB/1763—79（89））
• 2.4.4 耐热性测试
• 2.4.5 耐温变性测试
• 2.4.6 交流阻抗测试
• 3 几种化学镀层的制备、表征及在冷凝液中的耐蚀性比较
• 3.1 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 镀层的结构与成分分析
• 3.2.2 镀层的表面形貌分析
• 3.2.3 镀层的极化曲线测试
• 3.2.4 镀层的交流阻抗测试
• 3.2.5 镀层的浸泡实验结果
• 3.3 本章小结
• 4 Ni-Cu-P 镀层耐腐蚀性主要影响因素的研究
• 4.1 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 稳定剂对镀层耐蚀性的影响
• 4.2.2 次磷酸钠浓度对镀层耐蚀性的影响
• 4.2.3 硫酸铜浓度对 Ni-Cu-P镀层的影响
• 4.2.4 温度对镀层极化曲线的影响
• 4.2.5 温度对镀层交流阻抗的影响
• 4.2.6 热处理对镀层结构及耐腐蚀性能的影响
• 4.3 本章小结
• 5 Ni-Cu-P镀层耐腐蚀机理的探讨
• 5.1 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 开路电位测试
• 5.2.2 交流阻抗测试
• 5.2.3 Ni-Cu-P镀层剖面电子探针分析
• 5.2.4 Cu对 Ni-Cu-P镀层耐蚀性影响的原因分析
• 5.2.5 Ni-Cu-P镀层钝化过程探讨
• 5.3 本章小结
• 6 涂层的研究
• 6.1 实验方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 涂层厚度与附着力
• 6.2.2 交流阻抗测试
• 6.2.3 耐腐蚀性测试
• 6.2.4 耐热性测试
• 6.2.5 耐温变性测试
• 6.2.6 涂层厚度的影响
• 6.2.7 涂层对传热性能影响的分析
• 6.3 本章小结
• 7 样机的工程应用及社会经济效益分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢