Ni-P 化學(xué)鍍層阻垢性能研究

王小雨， 徐文芳， 梁 平， 李忠誠

（遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順113001）

0 前言

換熱器是許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于介質(zhì)處理未達標，導(dǎo)致?lián)Q熱管束在運行過程中產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象。在循環(huán)冷卻水中，碳酸鈣是污垢的主要成分［1］。污垢將降低換熱效率，增加介質(zhì)流動阻力，造成能源浪費和設(shè)備損失［2-3］。因此，對于換熱管束防垢阻垢方法的研究已引起人們的重視。研究表明［4-6］：磁控濺射和離子注入可以改善阻垢性能，但處理成本高。

化學(xué)鍍層具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕、自潤滑等優(yōu)點［7］，應(yīng)用廣泛。本文采用化學(xué)鍍技術(shù)在20＃鋼表面沉積Ni-P合金鍍層。之后，通過向氫氧化鈣溶液中通入CO2的加速結(jié)垢方法，考察了鍍層對20＃鋼的阻垢效果，并分析了阻垢機制。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為20＃鋼。將試樣切割成10 mm×10mm×5mm 的正方形試樣和50mm×25mm×2mm的長方形試樣。正方形試樣用于電化學(xué)測試，長方形試樣用于污垢沉積試驗。

1.2 工藝流程

1.3 鍍液組成及工藝條件

硫酸鎳28g／L，乙酸鈉16g／L，次磷酸鈉30 g／L，乳酸20mL／L，pH值5.0～5.5，88℃，1h。

1.4 測試方法

采用附帶能譜儀的TESCAN 型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌并分析其成分。采用島津-7000型X 射線衍射儀（XRD）測試鍍層的結(jié)構(gòu)。采用TR110型袖珍式粗糙度儀測試基體和鍍層的粗糙度。

采用PARSTAT2273型電化學(xué)測試系統(tǒng)進行極化曲線測試。工作電極為鍍層，輔助電極為石墨，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），電位均相對于SCE。測試前，各試樣先在通入CO2的1.0g／L 的氫氧化鈣溶液中于-1.3V 下除膜3min，然后浸泡1h，待開路電位穩(wěn)定后測試極化曲線。極化曲線的掃描速率為1.0mV／s。

污垢沉積試驗在恒溫水浴鍋中進行，溫度設(shè)置為60℃。實驗溶液為1.0g／L的氫氧化鈣溶液，并通過流量計向溶液中持續(xù)通入CO2。20＃鋼和鍍層試樣采取掛片方法沉積污垢，時間為72h。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層的表面形貌和成分

圖1為Ni-P化學(xué)鍍層的掃描電鏡圖像。由圖1可知：鍍層由胞狀物組成，均勻、致密，不存在空洞等缺陷，但局部存在少量晶胞聚集的現(xiàn)象。這是由于20＃鋼表面打磨的劃痕增加了Ni-P 化學(xué)鍍層的沉積中心，鍍層在這些劃痕處優(yōu)先沉積，并逐漸外延分層長大。隨著鍍層的生長，形成了堆積狀的外形，即表面形成許多胞狀物［8］。

圖1 Ni-P化學(xué)鍍層的掃描電鏡圖像

圖2為Ni-P化學(xué)鍍層的EDS譜圖。測試結(jié)果表明：鍍層中Ni的質(zhì)量分數(shù)為89.07%，P 的質(zhì)量分數(shù)為10.93%。根據(jù)P 的質(zhì)量分數(shù)可知，該工藝所得鍍層屬高磷合金鍍層。

2.2 鍍層的結(jié)構(gòu)

圖3為Ni-P化學(xué)鍍層的X 射線衍射圖。由圖3可知：在衍射角約為45°處出現(xiàn)了類似“饅頭狀”的衍射峰，表明鍍層為典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.3 鍍層的粗糙度

對20＃鋼及鍍層的粗糙度進行測試。結(jié)果表明：20＃鋼的粗糙度為2.66μm 左右，而Ni-P 化學(xué)鍍層的粗糙度為1.15μm 左右，鍍層降低了20＃鋼的粗糙度。

圖2 Ni-P化學(xué)鍍層的EDS譜圖

圖3 Ni-P化學(xué)鍍層的X 射線衍射圖

2.4 阻垢效果試驗

圖4為20＃鋼和鍍層試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中浸泡72h后的宏觀形貌。由圖4可知：20＃鋼和Ni-P化學(xué)鍍層表面的沉積物均為白色，但前者表面的沉積物較厚，而后者表面的沉積物較薄。

圖4 不同試樣在通入CO2 的氫氧化鈣溶液中形成的污垢的宏觀形貌

采用掃描電鏡對沉積物進行微觀形貌觀察，結(jié)果見圖5。由圖5可知：20＃鋼表面的白色沉積物顆粒較大，分布較為均勻；而Ni-P化學(xué)鍍層表面的沉積物分布不均勻。

圖6為污垢的X射線衍射圖。由圖6可知：20＃鋼和鍍層試樣表面白色沉積物相中Ca元素的質(zhì)量分數(shù)分別為29.50%和2.75%。采用XRD對白色沉積物相進行測試，兩者成分相同，均為CaCO3。

圖5 不同試樣在通入CO2 的氫氧化鈣溶液中形成的污垢的微觀形貌

圖6 污垢的X 射線衍射圖

從宏觀和微觀圖像上均可以看出，Ni-P化學(xué)鍍層起到了阻垢作用。

2.5 鍍層的耐蝕性

圖7 為20＃鋼和Ni-P化學(xué)鍍層試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中的極化曲線。由圖7可知：兩種試樣的極化曲線都存在明顯的鈍化區(qū)間，且Ni-P化學(xué)鍍層比20＃鋼表現(xiàn)出更低的致鈍電流密度和維鈍電流密度。20＃鋼和Ni-P 化學(xué)鍍層在該溶液中的自腐蝕電流密度分別為8.410μA／cm2和2.078μA／cm2。因而，鍍層表現(xiàn)出更好的耐蝕性。

圖7 不同試樣在通入CO2的氫氧化鈣溶液中的極化曲線

2.6 阻垢原因分析

以上測試結(jié)果表明，鍍層具有良好的阻垢效果。其原因可歸納為：（1）20＃鋼基體表面沉積的鍍層呈現(xiàn)出更低的粗糙度，提高了20＃鋼基體的光潔度，降低了污垢在試樣表面的附著力；（2）由于制備的鍍層為非晶態(tài)，非晶鍍層表面的金屬鍵分布無方向性，具備一定的防污垢性能［9］；（3）換熱器管束在結(jié)垢過程中也發(fā)生著腐蝕，而且腐蝕產(chǎn)物也可能促進污垢的形成，因此，如果腐蝕行為能夠得到減輕，污垢的形成速率也將得到減緩。Ni-P 化學(xué)鍍層比基體表現(xiàn)出更好的抗腐蝕性能，減少了腐蝕產(chǎn)物的形成數(shù)量，在一定程度上也有利于阻礙污垢的形成概率和形成速率。

3 結(jié)論

采用該工藝制備的Ni-P化學(xué)鍍層，在通入CO2的氫氧化鈣溶液中表現(xiàn)出良好的阻垢性能。這主要是與鍍層致密、粗糙度低、耐蝕性良好有關(guān)。

［1］楊慶峰，顧安忠，丁潔，等.換熱面上碳酸鈣的結(jié)垢行為及垢形［J］.化工學(xué)報，2002，53（9）：924-930.

［2］林冰.換熱器污垢及阻垢研究的現(xiàn)狀［J］.山東化工，2013，42（2）：57-60.

［3］徐志明，杜祥云，董鵬飛，等.2種CaCO3溶液配制法下板式換熱器的污垢特性［J］.化學(xué)工程，2013，41（10）：22-25.

［4］任曉光，ZHAO Q，MULLER-STEINHAGEN H.磁控濺射DLC表面降低池式沸騰下CaSO4污垢生成［J］.化工學(xué)報，1999，50（3）：404-406.

［5］任曉光，劉嘉敏，劉長厚.表面離子注入降低池式沸騰條件下CaSO4污垢生成［J］.高等化學(xué)工程學(xué)報，2001，15（5）：415-419.

［6］王燕，劉明言，王澤珍，等.銅板表面濺射MgF2在池沸騰條件下抗CaCO3污垢性能［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2008，25（3）：220-223.

［7］ZHAO Q.Effect of surface free energy of graded Ni-P-PTFE coating on bacterial adhesion［J］.Surface and Coatings Technology，2004，185（2／3）：199-204.

［8］郝龍，程慶，黃文全，等.不銹鋼化學(xué)鍍Ni-P合金在H2SO4溶液中的腐蝕行為［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報，2009，29（1）：55-57.

［9］于曉鵬.化學(xué)鍍在Ni-P合金技術(shù)在換熱器管束防腐中的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2000，21（5）：39-41.