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换热器管束表面镀Ni—P防护层的防腐应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-11-20  浏览次数:734
核心提示:石油化工生产过程中,由于工艺设备和管道经常与强腐蚀性介质接触,不少还在高温、高压、高流速下进行,生产连续化、长周期运行,所以腐蚀特别严重,一直制约企业的正常安全、平稳、长周期的生产,给企业带来巨大损失和安全隐患。
 

石油化工生产过程中,由于工艺设备和管道经常与强腐蚀性介质接触,不少还在高温、高压、高流速下进行,生产连续化、长周期运行,所以腐蚀特别严重,一直制约企业的正常安全、平稳、长周期的生产,给企业带来巨大损失和安全隐患。石油化工装置的冷换设备,多数材质为碳钢,所用的水均为重复利用的循环水。日常大量的故障及事故抢修,严重影响了生产装置的安全、稳定、满负荷运行。另外,当冷却水与温度较高的介质换热时(水多数走管程),水易结水垢,形成锈垢层,增加了热阻,使换热效率严重下降,满足不了生产的需要。所以,合理选用冷换设备管束材料及控制方法,减少腐蚀,是广大石化员工一直关注的问题。

1 换热器结垢及腐蚀原因的分析

1.1 管束内壁结垢及腐蚀原因分析

大多数冷却器,水走管程。因冷却水中含有钙、镁离子和酸式碳酸盐。当冷却水流经传热的金属表面时就发生如下反应:

Mg2 +HE03一+H2o—MgC03 +Mg(OH)2 3M[gC03+C02

Ca2 +2HC03— H20 +C02+GAG03

当水中加有聚合磷酸盐作缓蚀剂时存在如下反应:

3Ca2 +2P04 一一ca(P04)2

此外,溶解在冷却水中的氧还会造成金属腐蚀,形成铁锈,反应如下:

2Fe+2H20+02—2Fe(OH)2

反应的结果在换热器传热面上逐渐结垢,同时伴随铁锈的生成。当冷却器运行时,由于垢层的影响,换热效果严重降低。有的个别管束使用不到一年换热管内已被堵死。

另外,由于水垢的存在,易造成管内壁的垢下腐蚀,使管束的使用寿命下降。水对金属表面的腐蚀主要为电化学腐蚀,在腐蚀电池中阴极反应主要是氧的还原,阳极反应则是铁的溶解。碳钢在水中发生的腐蚀反应为:

阳极反应:2Fe一2Fe2 +4e

阴极反应:0,+2H20+4e--~40H一

总反应:2Fe+2H20+O2—2Fe(0H)2

在腐蚀时,铁生成氢氧化铁从溶液中沉淀出来。因这种亚铁化合物在含氧的水中是不稳定的,它将进一步氧生成氢氧化铁。

2Fe(OH)2+2H20+1/2 02—2Fe(OH)3之后,氢氧化铁脱水,生成铁锈。

2Fe(0H)3一Fe00H +n20

所以说,金属的垢下腐蚀是由于其本身电化学腐蚀存在自催化作用,加速了金属的腐蚀。

1.2 管束外壁油相腐蚀原因分析

冷换设备的管束外壁腐蚀是炼油生产装置操作中常见的问题,特别是常减压、催化裂化、延迟焦化等装置的塔顶低温部位冷凝、冷却系统的腐蚀较为严重。

因冷却器壳程介质多数是油、汽,其操作温度在100~160oC左右,从腐蚀形态及金相分析结果看均为电化学腐蚀,只是腐蚀介质及操作条件不尽相同,其腐蚀特征有些差异,但腐蚀规律基本相同。一般气相部位腐蚀轻微,液相部位腐蚀较重,尤以气液两相相变部位最为严重。腐蚀形态为全面腐蚀与局部腐蚀并存,以坑蚀穿孔较为突出,最大局部腐蚀速度有的高达6 mm/a以上,平均在1.2~5 mm之间。因油相系统中不同程度的含有HC1、H2S、HCN、NH3和H20随同轻组分一起挥发,当以气体状态存在时,一般腐蚀很轻,但在冷凝换热后温度下降到100 oC以下、冷凝区域出现液体水以后,在冷却器壳程便形成HC1一H2S—H20与HCN—NH3一H20系统的腐蚀。

2 化学镀镍的性能特点

化学镀镍之所以受到工业界的青睐,是因为化学镀镍层具有优异的均镀性、硬度、耐磨性和耐蚀性等综合性能,并通过控制镀层含磷量和热处理工艺等来改变镀层的这些功能特性。

2.1 热导率

由于镀层是很薄的一层金属,相对于非金属涂层有很高的导热性能,实验测得化学镀镍层的热导率为5.02 W/(1TI·K)。

2.2 耐腐蚀性能

化学镀镍和电镀铬一样,是一种障碍镀层,它是将基体金属和外界腐蚀环境隔绝而达到防护目的。铬具有良好的耐腐蚀性,然而电镀铬层由于高应力引起裂纹,不能保护基体金属免受腐蚀。化学镀镍的的耐蚀性比电镀铬好,是由于化学镀镍是非晶态结构,非晶态是一种均匀的单相组织,不存在晶界、位错、层错之类缺陷,因而在腐蚀介质中不易形成腐蚀微电池。同时,化学镀镍层和基体结合均匀、致密,腐蚀介质难以透过镀层而浸蚀基体,具有极好的耐蚀作用。化学镀镍磷非晶态合金镀层几乎不受碱液、中性盐液、水和海水的腐蚀,化学镀镍层在HC1和H2s04中的耐蚀性比不锈钢优异得多,它能耐多种化学介质的浸蚀。例如,非氧化性盐、高温高浓度烧碱、硫化氢、乳酸等。

2.3 结合力及内应力[1]

只要对基体表面预处理得当,一般讲化学镀镍的结合力是良好的。如基体为碳钢结合力是3.5~4.2 MPa;不锈钢为1.6~2.0 MPa、A1为1.05~ 2.5 MPa。镀后进行热处理则可进一步增高结合力,热处理能促进镀层与基体原子间的扩散,以增强结合力。厚度均匀和均镀能力好是化学镀镍的一大特点,也是应用广泛的原因之一。化学镀镍避免了电镀层由于电流分布不均匀而带来的厚度不均匀。化学镀时,只要零件表面和镀液接触,镀液中消耗的成分能及时得到补充,任何部位的镀层厚度都基本相同,即使凹槽、缝隙、盲孔也是如此。

3 化学镀镍的应用

石油化工的腐蚀环境是十分恶劣的,管道和泵、阀等经常接触的介质为井下盐水、cO2、H2s等,在170—200 cc的温度下,并拌有泥沙和其它磨粒冲蚀等。经过化学镀镍保护的抽油泵(镀层厚度为25—75 )使用寿命可达4年,而原来的寿命不超过6个月。

早期,为保证装置的安全、平稳、长周期的运行,减少维修的次数和便于管理,对于冷换没备的管束,往往采用高耐蚀合金管束。但是这是不可取的。因为,一是合金管束造价高,二是虽然机械的将设备耐蚀性能提高,但是却导致传热效果变差。

采用5454M—Mg合金管束情况:1987年以来一直没有什么好方法来解决管束外壁腐蚀问题。如采用不锈钢做管束,虽然能解决管束的腐蚀问题,但是造价昂贵。另外,从管材导热率方面考虑是不合适的。冷换设备管束采用化学“Ni—P”镀层:由于部分冷却器介质温度(t大于160 cc、压力P大于1 MPa)偏高的情况下,采用5454管束不适合,还需要采取其他防腐措施。

石油化工行业的设备和管线的腐蚀给企业带来巨大的经济损失,增加检维修费用,导致装置停工,缩短装置开工周期。Ni—P化学镀层的研究与应用解决了这一矛盾,既防止了设备管线的腐蚀,又降低检维修成本。

因Ni—P镀层是属于金属层,其组织为非晶态组织,不存在晶界、位错等晶体缺陷,是单一均匀组织,不易形成电偶腐蚀,具有较高耐蚀性。

在一些介质中,Ni—P镀层比钛合金还要好,它没有点蚀、晶界腐蚀和应力腐蚀、局部腐蚀等倾向。用低碳钢经化学镀Ni—P合金镀层,可以代替部分不锈钢,可大大降低成本。同时Ni—P镀层均匀性好、附着力强、硬度高、抗磨性优良。

1994年以来,大庆石化公司炼油厂在常减压、催化裂化、气体分馏、糠醛装置上的冷换设备上采用了碳钢管束表面进行Ni—P镀层的芯子,通过几年的使用收到了很好的效果。如:糠醛装置的2台蒸气发生器(规格FL 800—180—16—2),管层为糠醛汽,壳层为水汽。由于高压醛汽对设备具有较强的腐蚀能力,该部位设备腐蚀非常严重,以往每年检修都要更换2台芯子。为了解决上述问题,1994年8月结合装置检修,该部位的碳钢管束内外壁采用了Ni—P层。经过多年长周期使用,至今没有发生因腐蚀而泄漏的现象。

所以说,碳钢管束经Ni—P化学处理,镀后的耐蚀性可比原来提高4倍以上,而镀覆成本是碳钢管束造价的70% 一80%。该镀层有防污性能,可以使管束不易结垢。在抗水及油汽腐蚀是很好的。特别是对于涂料防腐、5454管束不能使用的,该方法是一个很好的补充。另外,Ni—P层是金属镀层,其导热系数与钢铁相近,不会降低传热效率。这种防腐的方法在换热上具有很高的应用价值。

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