超音速火焰噴涂在板式熱交換器中的應(yīng)用*

李治國

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050)

超音速火焰噴涂在板式熱交換器中的應(yīng)用*

李治國

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050)

對(duì)超音速火焰噴涂技術(shù)在板式熱交換器中應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，確定了噴涂材料的選擇依據(jù)和噴涂后應(yīng)進(jìn)行的性能指標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)比分析了噴涂后的優(yōu)勢(shì)，為該技術(shù)在板式熱交換器中的推廣應(yīng)用提供參考與依據(jù)。

超音速火焰噴涂;板式熱交換器;噴涂材料;性能指標(biāo)試驗(yàn);性能對(duì)比分析

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械零部件表面耐腐蝕和耐磨性能的要求越來越高。自20世紀(jì)80年代，隨著超音速火焰噴涂［1］為典型代表的新型熱噴涂技術(shù)的問世，由于其超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度，在高性能涂層制備方面顯現(xiàn)出明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得超音速噴涂技術(shù)成為了一類最有活力、最有發(fā)展前景的熱噴涂技術(shù)。目前超音速噴涂主要有超音速電弧噴涂、超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂以及超音速微弧等離子噴涂等，它們的成功開發(fā)進(jìn)一步拓展了噴涂技術(shù)在航空、航天、機(jī)械、石油、化工、電子、兵器、能源、輕紡、造船等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用［1］，由于該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較好的防腐、耐磨性能，最終達(dá)到延長零部件使用壽命的目的，所以在相關(guān)領(lǐng)域中有著較為廣泛的應(yīng)用。

板式熱交換器作為一種高效、緊湊、節(jié)能的新型換熱設(shè)備已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、食品、能源等重要領(lǐng)域，目前焊接式板式熱交換器在冶金和燃料乙醇行業(yè)的應(yīng)用得到快速發(fā)展。冶金和燃料乙醇行業(yè)工況較苛刻，物料性質(zhì)復(fù)雜，產(chǎn)品在使用過程中會(huì)產(chǎn)生一定的磨蝕，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的壽命。因此若能將超音速火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用到該行業(yè)的焊接式板式熱交換器上面，不僅能擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且能提高焊接式板式熱交換器的使用壽命，但超音速火焰噴涂在板式熱交換器中的應(yīng)用尚處于起步階段，需進(jìn)行大量模擬試驗(yàn)，摸索噴涂工藝，只有充分論證該技術(shù)在板式熱交換器中應(yīng)用的可行性后方可應(yīng)用。

2 可行性分析

對(duì)于焊接式板式熱交換器來說，要對(duì)其板片表面進(jìn)行噴涂:①應(yīng)該先分析焊接式板式熱交換器所使用的工況，進(jìn)而確定噴涂的材料;②確定焊接式板式熱交換器容易失效的薄弱環(huán)節(jié)，要是對(duì)焊接式板式熱交換器板片的所有表面進(jìn)行超音速火焰噴涂，其成本太高，還不如重新選擇板片材料;③根據(jù)焊接式板式熱交換器已確定噴涂部位的結(jié)構(gòu)，分析工藝方案的可行性。由于焊接式板式熱交換器結(jié)構(gòu)的特殊性和局限性，需要噴涂部位的操作空間有限，只能在很小的角度范圍內(nèi)進(jìn)行噴涂，涂層的結(jié)合強(qiáng)度能否滿足使用要求是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。另外，焊接式板式熱交換器的板片很薄，厚度最大為2 mm左右，噴涂過程中的溫度控制和防止板片變形是另一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。因此，對(duì)于焊接式板式熱交換器來說要應(yīng)用超音速火焰噴涂，必須模擬焊接式板式熱交換器的結(jié)構(gòu)，在規(guī)定角度范圍內(nèi)進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，通過大量的試驗(yàn)，摸索出合適的噴涂工藝，才能進(jìn)行產(chǎn)品的噴涂。

3 噴涂材料選擇

在冶金行業(yè)和燃料乙醇行業(yè)部分位號(hào)中，對(duì)于焊接式板式熱交換器來說主要的失效方式為磨蝕，其次是腐蝕，因此，在選擇噴涂材料時(shí)，主要考慮磨蝕，其次是腐蝕。如果能將磨蝕問題解決，焊接式板式熱交換器的壽命最少能夠延長2～3年。結(jié)合焊接式板式熱交換器的實(shí)際使用工況，從耐磨性能方面出發(fā)，通過一系列試驗(yàn)證明，可以選擇超音速火焰噴涂Cr3C2－NiCr或WC－12Co［1］材料，Cr3C2－NiCr或WC－12Co均屬于碳化物金屬陶瓷粉末，碳化物的共同特點(diǎn)是硬度高，化學(xué)性能穩(wěn)定。超音速火焰噴涂制備的涂層中，最具應(yīng)用價(jià)值的是碳化物金屬陶瓷涂層，涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，耐磨防腐性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］，在機(jī)械制造、礦山冶金、石油化工、造紙和燃料乙醇等耐磨領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

4 性能指標(biāo)試驗(yàn)

為了確保超音速火焰噴涂在焊接式板式熱交換器中應(yīng)用的可靠性，在產(chǎn)品上應(yīng)用之前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)，制定合理的工藝參數(shù)，測(cè)定超音速火焰噴涂后性能指標(biāo)，只有制定了合理的施工工藝和性能指標(biāo)試驗(yàn)合格后方可用于產(chǎn)品。工藝制定要結(jié)合產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行，性能指標(biāo)試驗(yàn)的主要項(xiàng)目有涂層的結(jié)合強(qiáng)度［1－2］、涂層厚度、顯微硬度、顯微孔隙率、表面粗糙度和磨粒磨損對(duì)比值［1］等六項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)具體工況的要求可以選擇其中幾項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

按照表1所列性能指標(biāo)，制定相應(yīng)的噴涂工藝，制作樣機(jī)，投入某一實(shí)際工況進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行3個(gè)月后對(duì)涂層進(jìn)行了測(cè)定，涂層厚度基本上沒有減薄，涂層表面完好無損，沒有起皮、脫落等現(xiàn)象。可以證明該性能指標(biāo)能夠滿足該工況的要求，也充分說明了在該工況下應(yīng)用超音速火焰噴涂是可行的。

表1 超音速火焰噴涂性能指標(biāo)

5 性能對(duì)比分析

焊接式板式熱交換器常用材料有奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼，奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼本身具有一定的耐磨性能，尤其是雙相不銹鋼，耐腐蝕和耐磨性能相當(dāng)優(yōu)越，但價(jià)格要比奧氏體不銹鋼高很多，所以在耐腐蝕要求滿足的情況下，若由于結(jié)構(gòu)原因，局部地方流速過高，不能滿足耐磨要求時(shí)，可以選擇奧氏體不銹鋼加超音速火焰噴涂來滿足設(shè)計(jì)要求，這樣可以降低產(chǎn)品制造成本。若由于工況條件要求必須選擇雙相不銹鋼材料，但由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因，局部地方流速過高，局部磨蝕問題較為突出，會(huì)大大縮短產(chǎn)品使用壽命時(shí)，可采用超音速火焰噴涂，提高產(chǎn)品局部耐磨性能，進(jìn)而可以延長產(chǎn)品的使用壽命，降低設(shè)備維修成本。

通過試驗(yàn)對(duì)比分析，奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼材料表面采用超音速火焰噴涂技術(shù)后，耐磨性能提高近一倍，同樣的工況，產(chǎn)品的使用壽命可以延長2～3年，從而降低了用戶產(chǎn)品維修和設(shè)備投資成本。

6 總結(jié)

通過試驗(yàn)及實(shí)際工況模擬測(cè)試，超音速火焰噴涂技術(shù)可以用于板式熱交換器。通過應(yīng)用超音速火焰噴涂技術(shù)，可節(jié)約產(chǎn)品制造成本，能夠提高產(chǎn)品的壽命，極大地縮短了產(chǎn)品的維修周期，進(jìn)而降低了用戶產(chǎn)品維修成本和二次投資成本。因此，在廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、食品、能源等重要領(lǐng)域的板式熱交換器上推廣應(yīng)用超音速火焰噴涂技術(shù)具有非常實(shí)際的意義。

［1］ 李誠銘.2006版新編噴涂新工藝新技術(shù)及噴涂設(shè)備應(yīng)用實(shí)務(wù)全書［M］.北京:中國知識(shí)出版社，2006.

［2］ GB/T8642－2002，熱噴涂抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定［S］.

Application of High Velocity Oxygen Fuel Spray on Plate Heat Exchanger

LI Zhi－guo
(Lanzhou LS Heat Eχchange Equipment Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730050，China)

The feasibility of the application of the high velocity oxygen fuel spray on the plate heat exchanger is analyzed.The choice basis of spray coating material and the performance tests after spraying are indicated.Through the contrastive analysis，the reference and basis are provided for the development and application of high velocity oxygen fuel spray technology on plate heat exchanger in china.

high velocity oxygen fuel spray;plate heat exchanger;spraying material;performance test;contrastive analysis

TH12

A

1007－4414(2013)05－0081－02

2013－08－29

李治國(1979－)，男，甘肅武威人，工程師，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)方面的工作。