Заміна корозійного металевого теплообмінника твердим фторполімерним або екзотичним сплавом коштує дорого. Передові технології покриття пропонують третій шлях: нанесення тонкого, хімічно стійкого бар’єру на внутрішні поверхні звичайного металевого обмінника, що значно подовжує термін його служби за незначну частину вартості заміни. У сфері інженерії поверхні нове поколіннявдосконалений теплообмінник із стійким до корозії покриттямз’являються системи-, зокрема фторполімерні напилення, нанокомпозитні покриття та покриття хімічним осадженням з парової фази (CVD). Ці технології дозволяють металевим теплообмінникам витримувати агресивні хімічні середовища, зберігаючи механічну міцність і теплові характеристики.
Фторполімерні напилення: PTFE-як захист на металевих основах
Фторполімерні напилювальні футеровки представляють зрілу, але постійно вдосконалювану технологію захисту поверхонь теплообмінника. Порошки PFA, ETFE, ECTFE та PVDF електростатично розпилюються на металеві підкладки, а потім сплавляються в суцільний шар без отворів. Процес нанесення включає нагрівання підкладки, електростатичне розпилення порошку фторполімеру та повторення для створення бажаної товщини шару-зазвичай до 1000 мікрон.-14
Ці покриття забезпечують -стійкість до корозії, як PTFE, одночасно збільшуючи механічну міцність основної металевої оболонки. Спеціальні підкладки виготовляються з натуральних фторполімерних листів великої товщини для використання в суворих хімічних службах до 230 градусів, товщиною від 1,5 мм до 4,7 мм.-15 Матеріали для покриття-включно з PTFE, PVDF, ETFE, ECTFE, PFA та FEP, вибираються на основі хімічного складу процесу та вимог до температури.-14
Помітною розробкою є фторполімерне покриття типу bake- (наприклад, NFX-2700), яке застосовується до всіх зон контакту рідини та газу багатотрубчастих теплообмінників. Такі покриття дозволяють обладнанню витримувати повний вакуум при температурах від навколишнього середовища до 800 градусів, залежно від конкретної фторполімерної системи.-
Основні переваги фторполімерних напилюваних футеровок:
Майже-універсальна хімічна стійкість, порівнянна з твердими фторполімерними обмінниками
Збереження номінального тиску та механічної міцності металевої основи
Можливість модернізації існуючих обмінників, а не їх повної заміни
Антипригарна, гладка поверхня, яка протистоїть забрудненню та спрощує очищення
Однак ці покриття чутливі до пошкоджень через термічні цикли, якщо коефіцієнт теплового розширення значно відрізняється від коефіцієнта теплового розширення металевої підкладки, а точкові отвори або дефекти покриття можуть призвести до корозії підрізання, якщо вони неналежно нанесені та перевірені.
Нанокомпозитні покриття: покращений захист-наночастинок
Багатообіцяючою розробкою корозійно-стійких покриттів є використання нанокомпозитних матеріалів-полімерних або керамічних матриць, наповнених наночастинками для створення щільних бар’єрів із високою адгезією з підвищеною стійкістю до корозії та стирання. Нанокомпозитні покриття використовують унікальні властивості наночастинок (зазвичай 10–100 нм у діаметрі), щоб заповнювати пустоти, створювати звивисті шляхи дифузії та покращувати механічні властивості за межі того, чого можуть досягти звичайні покриття.
Обробка нанокомпозитів для ребойлерів нафтопереробних заводів
Ітеративний процес розробки використовувався для ідентифікації та синтезу полімерної нанокомпозитної обробки поверхні, спеціально розробленої для захисту від корозії, спричиненої накопиченням хлоридів і сульфідних солей у дистиляційних ребойлерах.-20-21 Ця не-фторована обробка продемонструвала довговічність, яку можна порівняти з -сучасними матеріалами покриття, хімічна стійкість до розчинів з високим вмістом кислот і лугів, а також корозійна стійкість підтверджена тестуванням ASTM B117.-20-21 Сумісність до 350 градусів, матеріал припускає потенційне подвоєння терміну служби системи ребойлера на основі використання подібних матеріалів у полі.-20-21
Нанокомпозитні покриття Ni-Al₂O₃ та Ni-SiO₂
Дослідження дослідили вплив нанокомпозитних покриттів Ni-Al₂O₃ на корозію, зносостійкість і теплопровідність пластинчастих теплообмінників із нержавіючої сталі 316. Розроблені за допомогою гальванічного нанесення у ванні Watts із концентрацією наночастинок Al₂O₃ 10, 20 і 30 г/л, ці покриття продемонстрували значне покращення продуктивності.-22 Нанокомпозит Ni-Al₂O₃ із концентрацією посилення 30 г/л продемонстрував вищу стійкість до корозії, ніж покриття з чистого нікелю, зносостійкість до На 15% вище, ніж у нержавіючої сталі 316 без покриття, і коефіцієнт тертя до 10% нижчий.-22 Мікротвердість була виміряна більш ніж у три рази вище, ніж у нержавіючої сталі 316, для всіх концентрацій армування, без відшарування або відшаровування після тестування на адгезію.-22
Подібним чином було досліджено нанокомпозитні покриття Ni–SiO₂ для 316 застосувань теплообмінників з нержавіючої сталі, що подовжує термін служби в корозійних середовищах.- Безелектричні композитні покриття Ni–P–SiO₂ продемонстрували чудову ефективність проти обростання та чудову стійкість до корозії, причому труби з покриттям значно зменшили явище забруднення порівняно з поверхнями без покриття.-
Нові нанокомпозитні інновації
Останні інновації включають нове -структуроване багатофункціональне композитне покриття для теплообмінників димових газів, що містить зносостійкий поверхневий шар SiC/PFA, стійкий до корозії-проміжний шар із фторованого графену (FG)/PFA та сполучний шар PEEK.-1 Оптимізована композиція зберегла структурну цілісність після 60-денне занурення в 90 мас.% H₂SO4 при 140 градусах, що демонструє підвищення корозійної стійкості більш ніж на два порядки.-1 Теплопровідність зросла на 13–16%, тоді як коефіцієнт теплопередачі конвективної конденсації був у 1,7–1,9 рази вищий, ніж плівкова конденсація.-1
Ще одним проривом є нанокомпозитне покриття «ростового-типу», яке утворює щільний неорганічний взаємопроникаючий мережевий полімерний шар за допомогою хімічної реакції на поверхні металевої підкладки, досягаючи хімічного зв’язку, а не фізичної адгезії.-59 Це покриття продемонструвало нейтральну стійкість до соляного туману понад 20 000 годин, довгострокову-температуру до 1600 градусів , твердість 6H і здатність до самовідновлення-– автоматичне відновлення мікротріщин у разі пошкодження.-59
CVD-покриття: ультра-тонкий рівномірний захист
Покриття методом хімічного осадження з парової фази (CVD) створюють ультра-тонкі конформні бар’єри, які забезпечують надзвичайну стійкість до корозії без шкоди для теплопередачі. Запатентовані покриття SilcoTek CVD мають молекулярний зв’язок із підкладкою, запобігаючи відшаруванням або розшаруванням під час термічного циклу, і наносяться поза---лінією видимості, рівномірно покриваючи навіть складні геометрії та довгі труби.-29-30 Покриття надтонкі (менше або дорівнює 2 мкм), тому вони не впливають ефективність теплопередачі.-29
Дані про характеристики покриття
CVD-нанесені покриття, такі як Dursan, Silcolloy і Siltride, допомагають боротися з корозією, засміченням, коксуванням і забрудненням, зберігаючи теплові характеристики.- Спеціальні показники продуктивності включають:
Дурсан: Зниження корозії в 6M HCl зі 160 mpy до приблизно 1 mpy; подвоєна зносостійкість нержавіючої сталі, залишаючись достатньо тонкою для підтримки чудової тепловіддачі; Алюміній з покриттям Dursan- продемонстрував 74% покращення ефективності перепаду тиску під час випробувань на масштабування з синтетичною морською водою.-29-30
Silcolloy 2000: витримує температуру до 800 градусів і забезпечує чудову стійкість у кислотних середовищах із високою-температурою; випробування показали в 9 разів менше коксування на нержавіючій сталі з покриттям при 500 градусах порівняно з покриттям без покриття.-29
Силтрід 1000: Забезпечує найнадійніший захист від сильних кислот і агресивних хімікатів.-29
Незалежне підтвердження від Інституту досліджень електроенергії (EPRI) та Міністерства енергетики США оцінило дев’ять технологій покриття на титанових трубах конденсатора, нагородивши Dursan і Notak 2000 компанії SilcoTek ідеальним рейтингом як для теплопровідності, так і для адгезії.-30
Керівництво з вибору CVD покриття
| CVD покриття | Найкраще для | Ключові властивості |
|---|---|---|
| Дурсан | Широка хімічна стійкість (pH 0–14), стійкість до забруднень | Схвалено Biopharma-, NSF, USP, клас VI |
| Silcolloy 2000 | Висока{0}}температурна стабільність | Витримує до 800 градусів, стійкість до корозії при pH 0–8 |
| Силтрід 1000 | Сильні кислоти та агресивні хімікати | Найнадійніший захист |
Джерела даних: SilcoTek-29
Переваги та обмеження нових технологій нанесення покриттів
Ці вдосконалені покриття пропонують кілька переконливих переваг як перед твердими фторполімерними теплообмінниками, так і перед екзотичними металевими сплавами:
Нижча вартість, ніж суцільні екзотичні матеріали: нанесення покриття на звичайний металевий теплообмінник зазвичай становить незначну частину вартості виготовлення теплообмінника з танталу, цирконію або сплавів з високим -нікелем.
Можливість модернізації існуючих обмінників: Багато технологій покриття можна застосовувати на місці, продовжуючи термін служби існуючого обладнання без заміни.
Збереження механічної міцності і теплопровідності металу: На відміну від твердих фторполімерних теплообмінників, металеві теплообмінники з покриттям підтримують високий тиск і ефективну теплопередачу.
Скорочення технічного обслуговування та простоїв: стійкі до забруднення-покриття запобігають утворенню відкладень, зменшуючи частоту чищення та пов’язані з цим простої.-56
Однак обмеження залишаються:
Пошкодження від термічного циклу: Різне розширення між покриттям і основою може спричинити розтріскування або розшарування під час різких змін температури.
Чутливість до механічних пошкоджень: Покриття можуть бути пошкоджені механічним впливом, абразивними частинками або неправильними методами чищення.
Ризики обскури: Невеликі дефекти в покритті можуть піддавати метал під корозією, що призводить до швидкого підрізання та локального руйнування.
Важливо правильно підготувати поверхню: Піскоструминна обробка та ретельне очищення необхідні для зчеплення покриття. Погана підготовка поверхні є основною причиною передчасного руйнування покриття.
Таблиця порівняння покриттів
| Технологія нанесення покриттів | Типова товщина | Максимальна температура | Хімічна стійкість | Ключова перевага | Відносна вартість (1=найнижча) |
|---|---|---|---|---|---|
| Фторполімерне покриття (PFA/ETFE) | 0,5–1,5 мм (до 1000 мкм)-14 | 230 градусів (вище для спеціальностей)-15 | Відмінно (майже-універсальний, за винятком HF, гарячої їдкої речовини) | Зріла технологія, широка хімічна сумісність | 2–4 |
| Нанокомпозит (полімер/кераміка) | 150–200 µm-50 | 350 градусів + (до 1600 градусів для спеціальності) -20-59 | Дуже добре (широкий діапазон, доступні варіанти без{0}}фторування) | Стійкість до високих температур,-здатність до самовідновлення | 3–5 |
| CVD (на основі-кремнію) | Менше або дорівнює 2 мкм-29 | 800 градусів (Silcolloy 2000)-29 | Відмінно (рН 0–14 для Дурсан)-29 | Над-тонкий, конформний, без теплового впливу | 4–6 |
Примітка. Коефіцієнти вартості є приблизними та суттєво відрізняються залежно від матеріалу покриття, розміру основи та складності нанесення.
Керівництво по застосуванню
Вибір відповідної технології покриття повинен базуватися на конкретних умовах процесу:
Вибирайте фторполімерні напиленняколи необхідна широка хімічна сумісність при помірних температурах (до ~230 градусів), а підкладка може вмістити більш товсті покриття. Вони добре -підходять для хімічної обробки, фармацевтики та напівпровідників, де слід уникати забруднення.-14
Вибирайте нанокомпозитні покриттяколи потрібна висока стійкість до температури (350 градусів +), стійкість до стирання або не-фторована хімія. Вони особливо ефективні для ребойлерів нафтопереробних заводів, геотермальних середовищ і високо{4}}температурних систем димових газів.-20-21
Вибирайте CVD покриттяколи необхідний над-конформний захист без впливу на ефективність теплопередачі-особливо для складних геометрій, довгих трубних пучків і застосувань, які вимагають надзвичайної чистоти (напівпровідники, фармацевтика).-29-30
Висновок
Сучасні покриття подовжують термін служби металевих теплообмінників у корозійних умовах, пропонуючи-рентабельну альтернативу повному оновленню матеріалів. Фторполімерне напилення забезпечує хімічну стійкість металевих підкладок,-як PTFE. Нанокомпозитні покриття забезпечують покращену термостійкість, стійкість до стирання та навіть властивості самовідновлення. CVD-покриття створюють над-надтонкі молекулярно-зв’язані бар’єри, які зберігають ефективність теплопередачі, протистоячи корозії, забрудненню та коксуванню. Вибір покриття має ґрунтуватися на конкретних умовах процесу-температурі, хімічному середовищі, механічних вимогах і очікуваному терміні служби-з особливою увагою до підготовки поверхні та якості нанесення. Оскільки ці технології продовжують вдосконалюватися, металеві теплообмінники з покриттям все більше замінять як сплави без покриття, так і тверді фторполімерні блоки в широкому діапазоні корозійних промислових застосувань.
