สารเคลือบต้านทานการกัดกร่อน-ที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับท่อและเปลือกแลกเปลี่ยนความร้อนคืออะไร

การเปลี่ยนตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของโลหะที่สึกกร่อนด้วยยูนิตฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งหรือโลหะผสมที่แปลกใหม่นั้นมีราคาแพง เทคโนโลยีการเคลือบขั้นสูงนำเสนอแนวทางที่สาม: การใช้สิ่งกีดขวางที่บางและทนทานต่อสารเคมีกับพื้นผิวภายในของเครื่องแลกเปลี่ยนโลหะทั่วไป ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมากด้วยต้นทุนเพียงเล็กน้อยในการเปลี่ยน ในสาขาวิศวกรรมพื้นผิวรุ่นใหม่ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเคลือบป้องกันการกัดกร่อนขั้นสูงระบบกำลังเกิดขึ้น-รวมถึงการเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์เคลือบ การเคลือบนาโนคอมโพสิต และการเคลือบไอสารเคมี (CVD) เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของโลหะสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรงได้ในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงเชิงกลและประสิทธิภาพเชิงความร้อน

การเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์: PTFE- เช่นเดียวกับการปกป้องบนพื้นผิวโลหะ

สเปรย์เคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์แสดงถึงเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่แต่มีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในการปกป้องพื้นผิวตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ผง PFA, ETFE, ECTFE และ PVDF จะถูกพ่นด้วยไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวโลหะ จากนั้นจึงหลอมรวมเป็นชั้นที่ไม่มีรูเข็ม-ต่อเนื่องกัน ขั้นตอนการสมัครเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่พื้นผิว การพ่นผงฟลูออโรโพลีเมอร์ด้วยไฟฟ้าสถิต และทำซ้ำเพื่อสร้างความหนาของชั้นที่ต้องการ-โดยทั่วไปสูงถึง 1000 ไมครอน-14

สารเคลือบเหล่านี้ให้ความต้านทานการกัดกร่อนเหมือน PTFE- ในขณะเดียวกันก็ใช้ประโยชน์จากความแข็งแรงเชิงกลของเปลือกโลหะที่อยู่ด้านล่าง วัสดุบุผิวแบบกำหนดเองนั้นประดิษฐ์จากแผ่นฟลูออโรโพลีเมอร์บริสุทธิ์เกจหนักสำหรับใช้ในบริการทางเคมีขั้นรุนแรงจนถึง 230 องศา โดยมีความหนาตั้งแต่ 1.5 มม. ถึง 4.7 มม.-15 วัสดุเคลือบ-รวมถึง PTFE, PVDF, ETFE, ECTFE, PFA และ FEP จะถูกเลือกตามข้อกำหนดทางเคมีของกระบวนการและอุณหภูมิ-14

การพัฒนาที่โดดเด่นคือการซับฟลูออโรโพลีเมอร์ชนิดอบ- (เช่น NFX-2700) ซึ่งนำไปใช้กับพื้นที่สัมผัสของเหลวและก๊าซทั้งหมดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหลายท่อ การเคลือบดังกล่าวช่วยให้อุปกรณ์ทนทานต่อสุญญากาศเต็มที่ที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงถึง 800 องศา ขึ้นอยู่กับระบบฟลูออโรโพลีเมอร์เฉพาะ-

ข้อดีที่สำคัญของการเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์ ได้แก่:

ทนทานต่อสารเคมีในระดับสากล-เทียบได้กับเครื่องแลกเปลี่ยนฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง

การรักษาระดับแรงดันและความแข็งแรงทางกลของพื้นผิวโลหะ

ความสามารถในการดัดแปลงเครื่องแลกเปลี่ยนที่มีอยู่เดิมแทนที่จะเปลี่ยนทั้งหมด

พื้นผิวเรียบลื่น-ไม่ติดขัดซึ่งต้านทานการเปรอะเปื้อนและทำให้ทำความสะอาดง่าย

อย่างไรก็ตาม สารเคลือบเหล่านี้เสี่ยงต่อความเสียหายจากการหมุนเวียนด้วยความร้อน หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากพื้นผิวโลหะ และข้อบกพร่องของรูเข็มหรือการเคลือบสามารถนำไปสู่การกัดกร่อนด้านล่างได้หากไม่ได้ใช้และตรวจสอบอย่างเหมาะสม

การเคลือบนาโนคอมโพสิต: อนุภาคนาโน-การปกป้องที่เพิ่มขึ้น

การพัฒนาที่น่าหวังในการเคลือบที่ต้านทานการกัดกร่อน-คือการใช้วัสดุนาโนคอมโพสิต-โพลีเมอร์หรือเมทริกซ์เซรามิกที่ผสมกับอนุภาคนาโนเพื่อสร้างสิ่งกีดขวางที่มีความหนาแน่นและมีการยึดเกาะสูง พร้อมด้วยความต้านทานการกัดกร่อนและการเสียดสีที่ดีขึ้น การเคลือบนาโนคอมโพสิตใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของอนุภาคนาโน (โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10–100 นาโนเมตร) เพื่อเติมเต็มช่องว่าง สร้างเส้นทางการแพร่กระจายที่คดเคี้ยว และปรับปรุงคุณสมบัติทางกลเกินกว่าที่การเคลือบแบบทั่วไปสามารถทำได้

การบำบัดนาโนคอมโพสิตสำหรับหม้อต้มซ้ำในโรงกลั่น

กระบวนการพัฒนาซ้ำได้ถูกนำมาใช้เพื่อระบุและสังเคราะห์การรักษาพื้นผิวโพลีเมอร์นาโนคอมโพสิตที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่เกิดจากคลอไรด์และเกลือซัลไฟด์ที่สะสมในหม้อต้มกลั่นซ้ำ-20-21 เมื่อนำไปใช้โดยใช้วิธีการสเปรย์มาตรฐาน การบำบัดแบบไม่-ฟลูออริเนตนี้แสดงให้เห็นความทนทานเทียบได้กับ-วัสดุเคลือบที่ทันสมัย ความทนทานต่อสารเคมีต่อสารละลายกรดและเบสสูง และความต้านทานการกัดกร่อนที่ตรวจสอบโดยการทดสอบ ASTM B117 -20-21 เข้ากันได้สูงถึง 350 องศา วัสดุนี้แนะนำให้อายุการใช้งานของระบบ reboiler เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยพิจารณาจากการใช้งานภาคสนามของวัสดุที่คล้ายคลึงกัน -20-21

การเคลือบนาโนคอมโพสิต Ni-Al₂O₃ และ Ni-SiO₂

การวิจัยได้ตรวจสอบผลกระทบของการเคลือบนาโนคอมโพสิต Ni-Al₂O₃ ต่อการกัดกร่อน ความต้านทานการสึกหรอ และการนำความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นสแตนเลส 316 พัฒนาโดยการชุบด้วยไฟฟ้าในอ่างวัตต์ที่มีความเข้มข้นของอนุภาคนาโน Al₂O₃ ที่ 10, 20 และ 30 กรัม/ลิตร การเคลือบเหล่านี้แสดงให้เห็นการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ-22 นาโนคอมโพสิต Ni-Al₂O₃ ที่มีความเข้มข้นของการเสริมแรง 30 กรัม/ลิตร มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าการเคลือบนิกเกิลบริสุทธิ์ ความต้านทานการสึกหรอสูงกว่าสเตนเลส 316 ที่ไม่เคลือบผิวถึง 15% และค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีลดลงถึง 10%-22 วัดความแข็งระดับจุลภาคที่มากกว่าสามเท่าของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในทุกความเข้มข้นของการเสริมแรง โดยไม่มีการหลุดล่อนหรือการหลุดลอกหลังการทดสอบการยึดเกาะ-22

ในทำนองเดียวกัน มีการตรวจสอบการเคลือบนาโนคอมโพสิต Ni–SiO₂ สำหรับการใช้งานแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากสเตนเลสสตีล 316 ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน- การเคลือบคอมโพสิต Ni–P–SiO₂ แบบไม่ใช้ไฟฟ้าได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการป้องกันการเปรอะเปื้อนที่ดีเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่า ด้วยท่อเคลือบที่ช่วยลดปรากฏการณ์การเกิดคราบได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับพื้นผิวที่ไม่เคลือบ-

นวัตกรรมนาโนคอมโพสิตที่เกิดขึ้นใหม่

นวัตกรรมล่าสุด ได้แก่ การเคลือบคอมโพสิตมัลติฟังก์ชั่นที่มีโครงสร้างแบบแซนวิช-ใหม่สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของก๊าซไอเสีย ซึ่งประกอบด้วยชั้นพื้นผิว SiC/PFA ที่ทนทานต่อการสึกหรอ- ชั้นระหว่างกราฟีนที่มีฟลูออริเนต (FG)/PFA ที่ต้านทานการกัดกร่อน- และชั้นพันธะ PEEK -1 สูตรที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมที่สุดยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างหลังจากการแช่ใน 90% โดยน้ำหนัก H₂SO₄ ที่ 60 วัน 140 องศา แสดงการเพิ่มขนาดในการต้านทานการกัดกร่อนมากกว่า 2 ลำดับ-1 การนำความร้อนเพิ่มขึ้น 13–16% ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของการควบแน่นแบบพาความร้อนสูงกว่าการควบแน่นแบบฟิล์ม 1.7–1.9 เท่า-1

ความก้าวหน้าอีกประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับการเคลือบนาโนคอมโพสิตแบบ "เติบโต-" ที่สร้างชั้นโพลีเมอร์เครือข่ายอนินทรีย์แทรกซึมหนาแน่นผ่านปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของพื้นผิวโลหะ ทำให้เกิดพันธะเคมีมากกว่าการยึดเกาะทางกายภาพ -59 สารเคลือบนี้แสดงให้เห็นถึงความต้านทานละอองเกลือที่เป็นกลางเกิน 20,000 ชั่วโมง ความทนทานต่ออุณหภูมิในระยะยาว-สูงถึง 1,600 องศา ความแข็ง 6H และ ความสามารถในการรักษาตัวเอง- - ซ่อมแซมรอยแตกขนาดเล็กโดยอัตโนมัติเมื่อได้รับความเสียหาย -59

การเคลือบ CVD: บางเฉียบ- การปกป้องตามแบบแผน

การเคลือบไอสารเคมี (CVD) มีชั้นกั้นที่บางเป็นพิเศษ-ซึ่งให้ความต้านทานการกัดกร่อนสูงโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การเคลือบ CVD ที่ได้รับสิทธิบัตรของ SilcoTek มีการยึดเหนี่ยวทางโมเลกุลกับพื้นผิว ป้องกันการหลุดล่อนหรือการหลุดล่อนภายใต้การหมุนเวียนของความร้อน และนำไปใช้แบบไม่-เส้น-ในการมองเห็น- ครอบคลุมแม้แต่รูปทรงที่ซับซ้อนและท่อยาวสม่ำเสมอกัน-29-30 การเคลือบมีความบางเป็นพิเศษ (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 2 µm) ดังนั้นจึงไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน-29

ข้อมูลประสิทธิภาพการเคลือบ

CVD-การเคลือบที่ใช้ เช่น Dursan, Silcolloy และ Siltride ช่วยต่อสู้กับการกัดกร่อน การเปรอะเปื้อน ถ่านโค้ก และการปนเปื้อน ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อน- ตัวชี้วัดประสิทธิภาพเฉพาะได้แก่:

เดอร์ซาน: ลดการกัดกร่อนใน 6M HCl จาก 160 mpy เป็นประมาณ 1 mpy; เพิ่มความต้านทานการสึกหรอของสแตนเลสเป็นสองเท่าในขณะที่ยังคงความบางพอที่จะรักษาการถ่ายเทความร้อนได้ดีเยี่ยม อลูมิเนียมเคลือบ Dursan-แสดงประสิทธิภาพการลดแรงดันที่ดีขึ้น 74% ในระหว่างการทดสอบการปรับขนาดด้วยน้ำทะเลสังเคราะห์-29-30

ซิลคอลลอย 2000: ทนทานต่ออุณหภูมิสูงถึง 800 องศา และทนทานต่อสภาพกรดและอุณหภูมิสูง-ได้ดีเยี่ยม การทดสอบแสดงโค้กน้อยกว่า 9 เท่าบนสแตนเลสเคลือบที่ 500 องศา เมื่อเทียบกับที่ไม่เคลือบ -29

ซิลไตรด์ 1000: ให้การป้องกันที่แข็งแกร่งที่สุดต่อกรดแก่และสารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรง -29

การตรวจสอบอย่างเป็นอิสระจากสถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้า (EPRI) และกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้ประเมินเทคโนโลยีการเคลือบเก้าเทคโนโลยีบนท่อคอนเดนเซอร์ไทเทเนียม โดยมอบรางวัล Dursan และ Notak 2000 ของ SilcoTek ให้เป็นคะแนนประสิทธิภาพที่สมบูรณ์แบบสำหรับทั้งการนำความร้อนและการยึดเกาะ -30

คู่มือการเลือกการเคลือบ CVD

แหล่งข้อมูล: SilcoTek-29

ข้อดีและข้อจำกัดของเทคโนโลยีการเคลือบที่เกิดขึ้นใหม่

การเคลือบขั้นสูงเหล่านี้มีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจหลายประการเหนือตัวแลกเปลี่ยนฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งและโลหะผสมที่แปลกใหม่:

ต้นทุนต่ำกว่าวัสดุแปลกใหม่ที่เป็นของแข็ง: การเคลือบตัวแลกเปลี่ยนโลหะแบบธรรมดาโดยทั่วไปจะมีค่าใช้จ่ายเพียงเล็กน้อยในการผลิตตัวแลกเปลี่ยนจากแทนทาลัม เซอร์โคเนียม หรือโลหะผสมนิกเกิลสูง-

ความสามารถในการดัดแปลงเครื่องแลกเปลี่ยนที่มีอยู่: เทคโนโลยีการเคลือบหลายชนิดสามารถนำไปใช้ในแหล่งกำเนิดได้ ช่วยยืดอายุของอุปกรณ์ที่มีอยู่โดยไม่ต้องเปลี่ยนใหม่

การรักษาความแข็งแรงทางกลของโลหะและการนำความร้อน: แตกต่างจากเครื่องแลกเปลี่ยนฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง เครื่องแลกเปลี่ยนโลหะที่เคลือบจะรักษาระดับแรงดันสูงและการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

ลดการบำรุงรักษาและการหยุดทำงาน: สารเคลือบต้านทานการเปรอะเปื้อน-ป้องกันการสะสมตัวของคราบ ลดความถี่ในการทำความสะอาดและการหยุดทำงานที่เกี่ยวข้อง -56

อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อจำกัดอยู่:

ความเสียหายจากการปั่นจักรยานด้วยความร้อน: การขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างการเคลือบและซับสเตรตอาจทำให้เกิดการแตกร้าวหรือการหลุดร่อนภายใต้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

ความไวต่อการละเมิดทางกล: สารเคลือบอาจได้รับความเสียหายจากแรงกระแทกทางกล อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อน หรือวิธีการทำความสะอาดที่ไม่เหมาะสม

ความเสี่ยงรูเข็ม: ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ในการเคลือบอาจทำให้โลหะที่อยู่ด้านล่างเกิดการกัดกร่อน ซึ่งนำไปสู่การตัดส่วนล่างอย่างรวดเร็วและความล้มเหลวเฉพาะจุด

การเตรียมพื้นผิวที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญ: การขัดกรวดและการทำความสะอาดอย่างละเอียดเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการยึดเกาะของสารเคลือบ การเตรียมพื้นผิวที่ไม่ดีเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวในการเคลือบก่อนเวลาอันควร

ตารางเปรียบเทียบการเคลือบ

หมายเหตุ: ต้นทุนทวีคูณเป็นการประมาณและแตกต่างกันอย่างมากตามวัสดุเคลือบ ขนาดของพื้นผิว และความซับซ้อนของการใช้งาน

คำแนะนำการสมัคร

การเลือกเทคโนโลยีการเคลือบที่เหมาะสมควรขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการเฉพาะ:

เลือกสเปรย์เคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์เมื่อจำเป็นต้องมีความเข้ากันได้ทางเคมีในวงกว้างที่อุณหภูมิปานกลาง (สูงถึง ~ 230 องศา ) และพื้นผิวสามารถรองรับการเคลือบที่หนาขึ้นได้ สิ่งเหล่านี้-เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปรรูปทางเคมี ยา และเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องหลีกเลี่ยงการปนเปื้อน-14

เลือกการเคลือบนาโนคอมโพสิตเมื่อทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้น (350 องศา +) ต้องใช้ความต้านทานต่อการเสียดสี หรือเคมีที่ไม่ใช่-ฟลูออริเนต สิ่งเหล่านี้มีประสิทธิผลโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหม้อต้มซ้ำของโรงกลั่น สภาพแวดล้อมความร้อนใต้พิภพ และระบบก๊าซไอเสียที่อุณหภูมิสูง--20-21

เลือกการเคลือบ CVDเมื่อจำเป็นต้องมีการป้องกันที่บางเป็นพิเศษ{0}}และไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน-โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน มัดท่อยาว และการใช้งานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูง (เซมิคอนดักเตอร์ เภสัชกรรม) -29-30

บทสรุป

การเคลือบขั้นสูงกำลังขยายอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นโลหะในสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อน โดยเสนอทางเลือกที่คุ้มทุน{0}}แทนการอัพเกรดวัสดุทั้งหมด ชั้นเคลือบสเปรย์ฟลูออโรโพลีเมอร์ให้ความทนทานต่อสารเคมีเหมือน PTFE- บนพื้นผิวโลหะ การเคลือบนาโนคอมโพสิตช่วยเพิ่มความเสถียรทางความร้อน ความต้านทานต่อการเสียดสี และแม้กระทั่งคุณสมบัติการสมานตัวเอง- การเคลือบ CVD จะสร้างสิ่งกีดขวางโมเลกุล-ที่บางพิเศษซึ่งช่วยรักษาประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในขณะเดียวกันก็ต้านทานการกัดกร่อน การเปรอะเปื้อน และถ่านโค้ก การเลือกการเคลือบควรขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการเฉพาะ-อุณหภูมิ สภาพแวดล้อมทางเคมี ความต้องการทางกล และอายุการใช้งานที่คาดหวัง- โดยให้ความใส่ใจอย่างระมัดระวังในการเตรียมพื้นผิวและคุณภาพการใช้งาน ในขณะที่เทคโนโลยีเหล่านี้ยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของโลหะเคลือบจะเข้ามาแทนที่ทั้งโลหะผสมที่ไม่เคลือบและหน่วยฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งมากขึ้น ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่หลากหลายมากขึ้น