热喷涂技术制备耐蚀涂层在炼油装备中的应用及发展前景
夏光明，闵小兵，周建桥等
金属材料与冶金工程
热喷涂技术是一种将涂层材料 （粉末或丝材） 送入某种热源 （电弧、 燃烧火焰、 等离子体） 中熔化， 并利用高速气流将其喷射到基体材料表面而形成涂层的工艺。 热喷涂技术是一门表面防护和表面强化的技术， 在国内发展十分迅速， 其涂层具有耐腐蚀、 耐磨损或隔热等优良性能， 在航空航天、 机械制造、 石油化工、汽车等领域得到广泛应用［1-3］。热喷涂技术大体上可以分为火焰喷涂 （熔）法； 电弧喷涂法； 等离子喷涂法； 超音速喷涂法和爆炸喷涂法。
热喷涂技术具有如下特点： 其一， 可以在多种材料上喷涂涂层， 如在金属、 陶瓷、 玻璃、木材、 塑料、 石膏、 布和纸等材料表面均能进行喷涂； 其二， 可喷涂的材料十分广泛， 几乎包括所有的固体工程材料， 如： 各种金属， 陶瓷， 塑料， 金属非金属矿物及这些材料组成的复合材料粉末或丝材； 其三， 采用复合涂层工艺， 可以将性能截然不同的两种或两种以上的材料制成具有优异综合性能的涂层， 如耐蚀、耐磨减摩、 耐热绝热、 抗氧化、 密封、 节能、辐射及防辐射， 以及其他特殊功能； 其四， 涂层厚度可控， 从几微米到几十毫米。
炼油装备在提炼加工原油时， 需要高温高压， 而原油中含有硫和其他杂质， 大多数硫以有机硫化物形式存在， 这些硫化物受热分解大量的硫化氢， 甚至元素硫， 导致金属的高温硫化腐蚀。 腐蚀和磨损是危害石油设备的主要问题， 增加炼油生产加工过程中的温度和压力，有利于提高其生产效率， 更符合当前社会对节能降耗的需要， 因腐蚀和磨损对设备安全稳定运行带来不利影响越来越突出， 炼油装备的防腐蚀和抗磨损就显得十分迫切。
摘 要： 热喷涂技术是一门表面防护和表面强化技术， 它可以在任何基材上制备耐蚀、 抗磨、 隔热等优良性能涂层。 热喷涂技术在炼油装备中具有广泛的应用， 本文介绍了热喷涂技术制备烟气轮机叶片耐高温热腐蚀涂层， 油浆泵抗冲蚀涂层和钢结构、 储油罐、 储气罐、 输油管道的长效防腐涂层。 总结了目前该领域存在的问题， 并对今后发展前景进行了展望。
关键词： 热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html； 耐高温热腐蚀； 涂层； 应用和展望
1 烟气轮机叶片-耐高温热腐蚀涂层
1.1 烟气轮机工作环境
烟气轮机是炼油企业中的关键设备， 它利用催化裂化过程中产生的高温烟气再次做功。将热能转化成电能， 产生的电能带动整个炼化装置运行。 既充分利用了能源， 又减少了废气的排放， 对企业实现节能减排的目标发挥着十分重要的作用。 烟气轮机运行状况的好坏直接关系到石油炼油企业各装置能否长期、 安全运行， 并影响企业的经济效益。
烟气轮机工作状况十分恶劣： 高温、 高压、腐蚀以及固体颗粒冲击， 造成叶片腐蚀严重。表 1 为烟气轮机参数。 由表 1 可知， 烟气轮机服役温度为 600 ~ 800 ℃， 烟气轮机中的烟气（再生气） 是焦 （渣） 油 （经常掺杂有沥青） 的燃烧产物， 含有大量有害元素或介质， 如： S，K， Ca， Mg， Na， V， Fe， SO2， SO3等， 这些元素或介质通过反应会产生一系列低熔点化合物或共晶物沉积在叶片表面， 具有很强的腐蚀性。 此外， 再生气中带有一定浓度的高速运动的催化剂 （硅酸铝等） 硬质粒， 对叶片表面造成冲蚀， 叶片 （叶片基材成分见表 2） 在无涂层保护的情况下， 一般使用周期为 2~6 个月， 整个叶片将全部腐蚀磨损掉［4，5］。
1.2 耐高温热腐蚀涂层制备工艺
等离子喷涂技术是热喷涂技术之一， 它是以等离子弧为热源的热喷涂技术。 等离子弧是一种高密度热源， 电弧在等离子喷枪中受到压缩、 能量集中， 等离子喷涂有以下三个主要特点： 一是工件无变形， 不改变基体金属热处理后的性质； 二是涂层种类多， 由于焰流温度高， 可以将各种喷涂材料加热到熔融状态， 可以得到各种性能的涂层； 三是工艺稳定， 涂层质量高。等离子喷涂制备烟气轮机叶片涂层的工艺流程： 基体 → 除油 → 除锈 → 喷砂 → 过渡层 →喷涂工作层→检验→包装。烟机叶片涂层的主要成分为， %： Co 35~60， Cr 25 ~ 40， Ni 8 ~ 15。 该涂层抗高温热腐蚀性能强， 高温硬度高， 防护性能优异， 完全能满足各种功率烟机叶片的工作要求。
1.3 涂层应用
（ 1） 济南炼油厂 ： 含高灰尘 （ 平均浓度345.3 mg ／ m3） 及严重硫腐蚀 （硫含量达 30 ~ 44.5kg ／ h） 的烟机， 连续运行 8 424 h 后停机检查，叶片完好无损。 对烟机采用涂层防护后， 平均每小时节电 5 000 kW， 效益十分显著。
（2） 广州石化炼油厂： YLII6000B 烟机叶片涂覆涂层， 连续运行 18 288 h 后， 叶片涂层情况良好。
（3） 上海石化引进美国 TH85-2 10 000 kW烟机， 原烟机运行 572 d 后， 叶片全部磨损报废。 后改用国产 GH864 材料并涂覆涂层后， 连续运行 52 570 h， 创造烟机连续工作最长的纪录。目前， 全国几乎所有炼油厂的烟气轮机叶片均作了防腐涂层［6］。
2 油浆泵-耐冲蚀涂层
2.1 油浆泵的工作环境
油浆泵是炼油厂催化裂化装置中用来输送油浆的重要设备， 经过油浆泵的原油含有大量的腐蚀介质和固体催化剂。 这些腐蚀介质通过反应会生成一系列低熔点化合物或结晶物， 对泵体流道部位产生很强的腐蚀性。 由于油浆携带大量的固体催化剂， 固体催化剂冲刷腐蚀产物， 腐蚀产物很快剥落， 循环往复直到泵体磨穿。
油浆泵泵体材料为 2GCr5Mo， 长期在 420℃ 左右工作， 由于原油中含有大量的腐蚀介质，泵体不能满足长期使用要求， 经常造成非正常停工， 而泵的使用寿命直接影响催化裂化装置的运行［7~9］。
2.2 耐冲蚀涂层制备工艺
火焰喷熔法是热喷涂技术之一， 它以燃烧氧乙炔为热源， 加热合金粉末熔化或半熔化状态， 喷射到工件表面， 再经重熔烧结， 这样沉积到工件表面的粉末就形成了一种具有特殊性能的表层： （如耐腐蚀、 耐磨、 抗高温氧化、 绝热等）［6］。
油浆泵耐冲蚀涂层工艺流程： 基体粗加工→除油→除锈→预热→喷涂→喷熔→保温冷却 →机加工→验收→包装。油浆泵涂层的主要成分， %： Cr 15~20， B3 ~ 4.5， Si 3.5 ~ 5.5， C 0.5 ~ 1.1， Fe 5， Ni 余量。
油浆泵过流部位经火焰喷熔制备耐蚀涂层，涂层的主要成分为 Ni-Cr 合金， 涂层与基体表面形成冶金结合， 涂层厚度为 1 mm 左右， 涂层硬度达 HRc55~62， 延长了油浆泵的使用寿命近4 倍 （见图 1）， 产生了很好的社会效益。
3 长效防腐涂层
3.1 长效防腐涂层的制备工艺
长效防腐涂层一般采用热喷涂技术中的电弧喷涂工艺。
电弧喷涂是一项高效率、 高质量、 低成本的工艺， 近十年来发展十分迅速。 电弧喷涂是将两根彼此绝缘， 机械送进的喷涂丝材送入雾化气流区的某一点， 喷涂丝材间通以 18~40 V的电压， 引燃电弧丝材端部， 加热熔融并达到过热状态， 强烈的压缩空气雾化气流使熔融的金属喷射雾化并以微粒子方式高速冲击到经过预先制备的工件表面上， 这些温度很高的金属粒子在工件表面因高速冲击而变形， 形成叠层涂层［10］。
长效防腐涂层多采用锌涂层、 锌合金涂层、铝涂层、 铝合金涂层、 不锈钢涂层， 镍基涂层等。 这些涂层制备完成后， 一般需要采用封孔技术。 其工艺流程为： 基体→打磨→除锈蚀→喷砂→喷涂长效防腐涂层→检测厚度→封孔→检验。
3.2 钢结构厂房、 塔、 管道的长效防腐涂层
各炼化厂大量的钢结构厂房、 塔、 管道等户外钢结构， 因长期暴露在大气中， 受到气候变化和日晒雨淋， 表面迅速氧化， 严重影响钢结构的强度及使用寿命， 为防止钢结构表面氧化， 以往一般采用油漆保护， 其防腐年限一般仅有 3~5 a， 因此需要经常性维修保养， 耗费大量人力物力。
图 2 为管道内壁制备长效防腐涂层示意。锌具有良好的耐腐蚀性， 可在空气或水中长期使用。 锌的电极电位低于铁， 将锌喷涂到铁基体上， 可使铁受到阳极保护， 在户外钢结构厂房、 塔、 管道采用电弧喷锌， 其防腐年限根据防护层厚度可达十几年甚至几十年以上，无需维护。 如果在锌涂层上再加上封孔剂封闭，其防腐年限更长。
3.3 储油罐， 储气罐
储油罐、 储气罐是炼油厂油气储运系统中的主要设备。 大多数为钢质。 受到储存介质的腐蚀缩短了使用寿命。 原油储罐腐蚀的主要原因是由于存在沉淀物和氧化物、 硫化物、 硫酸盐等。 油罐本身较高的焊接残余应力是产生腐蚀的主要原因， 进而造成脆性破坏。 储油罐、储气罐大多用于储存易燃易爆或有毒的气体或液体， 其安全性至关重要， 腐蚀问题已严重威胁到生产安全， 缩短了储油罐储气罐的生产周期［11］。
采用了热喷涂技术在罐内壁制备铝或铝合金复合防护涂层， 能够将罐体与罐内腐蚀物隔离， 使其不发生化学性锈蚀或变化， 由于铝的电极电位比铁低， 可以减少焊缝的应力腐蚀。同时， 罐体表面多了一层硬膜， 可以减轻基体承受的摩擦， 起到一定的物理防护作用， 不仅提高了储罐的防腐性能， 延长了大修期， 而且降低了维修成本 （见图 3）。
3.4 天然气、 石油输送管道
天然气、 石油输送管道比较特殊。 一般情况下， 它被深埋在地下， 与土壤相伴。 但受土壤中的有机物、 无机盐、 微生物和酸性雨水的浸蚀， 在它们的管壁会发生化学或电化学腐蚀。天然气、 石油的输送管道一般采用不锈钢涂层、 镍-铬合金涂层。该涂层具有一定强度， 涂层铬含量比较高，能够形成致密的氧化膜， 起到保护基材的作用，大大延长其使用寿命。 图 4 为管道外壁制备防腐涂层示意。
4 发展前景
（1） 热喷涂技术在烟气轮机叶片耐高温腐蚀、 油浆泵耐冲蚀和长效防腐方面取得了很好的应用， 说明热喷涂技术是解决炼油装备中腐蚀和磨损的有效技术。 由于炼油装备承受多种介质的腐蚀和磨损， 而炼油装备每年由于腐蚀、磨损产生的停工检修很多， 针对其暴露出来的问题， 成立专题组， 组织企业、 科研院所、 大学共同参与研究、 开发出适应不同条件下的耐腐蚀、 耐磨损涂层， 应用于炼油装备。
（2） 由于原油中含有大量氯化物、 硫化物、氧化物， 在 450~800 ℃的炼油加工过程中， 它们会形成共晶产物， 粘附在装备的表面并产生腐蚀， 如能开发出一种既抗粘附， 又能耐高温腐蚀和冲刷的涂层， 更能保证炼油装备的平稳安全运行。
（3） 增加炼油生产加工过程中的温度和压力， 有利于提高其生产效率， 更符合当前社会对节能降耗的需要， 因而研究出耐更高温度腐蚀的防护性涂层显得十分迫切。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
