超音速火焰喷涂在板式热交换器中的应用*

李治国

(兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃兰州 730050)

超音速火焰喷涂在板式热交换器中的应用*

李治国

(兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃兰州 730050)

对超音速火焰喷涂技术在板式热交换器中应用的可行性进行分析，确定了喷涂材料的选择依据和喷涂后应进行的性能指标试验，对比分析了喷涂后的优势，为该技术在板式热交换器中的推广应用提供参考与依据。

超音速火焰喷涂;板式热交换器;喷涂材料;性能指标试验;性能对比分析

1 引言

随着现代工业技术的发展，机械零部件表面耐腐蚀和耐磨性能的要求越来越高。自20世纪80年代，随着超音速火焰喷涂［1］为典型代表的新型热喷涂技术的问世，由于其超高的焰流速度和相对较低的温度，在高性能涂层制备方面显现出明显技术优势，使得超音速喷涂技术成为了一类最有活力、最有发展前景的热喷涂技术。目前超音速喷涂主要有超音速电弧喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂以及超音速微弧等离子喷涂等，它们的成功开发进一步拓展了喷涂技术在航空、航天、机械、石油、化工、电子、兵器、能源、轻纺、造船等国民经济的各个领域中的应用［1］，由于该技术能实现较好的防腐、耐磨性能，最终达到延长零部件使用寿命的目的，所以在相关领域中有着较为广泛的应用。

板式热交换器作为一种高效、紧凑、节能的新型换热设备已广泛应用于冶金、化工、石油、食品、能源等重要领域，目前焊接式板式热交换器在冶金和燃料乙醇行业的应用得到快速发展。冶金和燃料乙醇行业工况较苛刻，物料性质复杂，产品在使用过程中会产生一定的磨蚀，进而影响到产品的寿命。因此若能将超音速火焰喷涂技术应用到该行业的焊接式板式热交换器上面，不仅能扩大该技术的应用范围，而且能提高焊接式板式热交换器的使用寿命，但超音速火焰喷涂在板式热交换器中的应用尚处于起步阶段，需进行大量模拟试验，摸索喷涂工艺，只有充分论证该技术在板式热交换器中应用的可行性后方可应用。

2 可行性分析

对于焊接式板式热交换器来说，要对其板片表面进行喷涂:①应该先分析焊接式板式热交换器所使用的工况，进而确定喷涂的材料;②确定焊接式板式热交换器容易失效的薄弱环节，要是对焊接式板式热交换器板片的所有表面进行超音速火焰喷涂，其成本太高，还不如重新选择板片材料;③根据焊接式板式热交换器已确定喷涂部位的结构，分析工艺方案的可行性。由于焊接式板式热交换器结构的特殊性和局限性，需要喷涂部位的操作空间有限，只能在很小的角度范围内进行喷涂，涂层的结合强度能否满足使用要求是一个非常关键的因素。另外，焊接式板式热交换器的板片很薄，厚度最大为2 mm左右，喷涂过程中的温度控制和防止板片变形是另一个非常关键的因素。因此，对于焊接式板式热交换器来说要应用超音速火焰喷涂，必须模拟焊接式板式热交换器的结构，在规定角度范围内进行喷涂试验，通过大量的试验，摸索出合适的喷涂工艺，才能进行产品的喷涂。

3 喷涂材料选择

在冶金行业和燃料乙醇行业部分位号中，对于焊接式板式热交换器来说主要的失效方式为磨蚀，其次是腐蚀，因此，在选择喷涂材料时，主要考虑磨蚀，其次是腐蚀。如果能将磨蚀问题解决，焊接式板式热交换器的寿命最少能够延长2～3年。结合焊接式板式热交换器的实际使用工况，从耐磨性能方面出发，通过一系列试验证明，可以选择超音速火焰喷涂Cr3C2－NiCr或WC－12Co［1］材料，Cr3C2－NiCr或WC－12Co均属于碳化物金属陶瓷粉末，碳化物的共同特点是硬度高，化学性能稳定。超音速火焰喷涂制备的涂层中，最具应用价值的是碳化物金属陶瓷涂层，涂层具有结合强度高，孔隙率低，耐磨防腐性能好等诸多优点［1］，在机械制造、矿山冶金、石油化工、造纸和燃料乙醇等耐磨领域得到了广泛的应用。

4 性能指标试验

为了确保超音速火焰喷涂在焊接式板式热交换器中应用的可靠性，在产品上应用之前必须进行模拟试验，制定合理的工艺参数，测定超音速火焰喷涂后性能指标，只有制定了合理的施工工艺和性能指标试验合格后方可用于产品。工艺制定要结合产品的具体结构进行，性能指标试验的主要项目有涂层的结合强度［1－2］、涂层厚度、显微硬度、显微孔隙率、表面粗糙度和磨粒磨损对比值［1］等六项指标，根据具体工况的要求可以选择其中几项性能指标进行试验。

按照表1所列性能指标，制定相应的喷涂工艺，制作样机，投入某一实际工况进行运行，运行3个月后对涂层进行了测定，涂层厚度基本上没有减薄，涂层表面完好无损，没有起皮、脱落等现象。可以证明该性能指标能够满足该工况的要求，也充分说明了在该工况下应用超音速火焰喷涂是可行的。

表1 超音速火焰喷涂性能指标

5 性能对比分析

焊接式板式热交换器常用材料有奥氏体不锈钢和双相不锈钢，奥氏体不锈钢和双相不锈钢本身具有一定的耐磨性能，尤其是双相不锈钢，耐腐蚀和耐磨性能相当优越，但价格要比奥氏体不锈钢高很多，所以在耐腐蚀要求满足的情况下，若由于结构原因，局部地方流速过高，不能满足耐磨要求时，可以选择奥氏体不锈钢加超音速火焰喷涂来满足设计要求，这样可以降低产品制造成本。若由于工况条件要求必须选择双相不锈钢材料，但由于产品结构原因，局部地方流速过高，局部磨蚀问题较为突出，会大大缩短产品使用寿命时，可采用超音速火焰喷涂，提高产品局部耐磨性能，进而可以延长产品的使用寿命，降低设备维修成本。

通过试验对比分析，奥氏体不锈钢和双相不锈钢材料表面采用超音速火焰喷涂技术后，耐磨性能提高近一倍，同样的工况，产品的使用寿命可以延长2～3年，从而降低了用户产品维修和设备投资成本。

6 总结

通过试验及实际工况模拟测试，超音速火焰喷涂技术可以用于板式热交换器。通过应用超音速火焰喷涂技术，可节约产品制造成本，能够提高产品的寿命，极大地缩短了产品的维修周期，进而降低了用户产品维修成本和二次投资成本。因此，在广泛应用于冶金、化工、石油、食品、能源等重要领域的板式热交换器上推广应用超音速火焰喷涂技术具有非常实际的意义。

［1］ 李诚铭.2006版新编喷涂新工艺新技术及喷涂设备应用实务全书［M］.北京:中国知识出版社，2006.

［2］ GB/T8642－2002，热喷涂抗拉结合强度的测定［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

李治国(1979－)，男，甘肃武威人，工程师，主要从事化工设备设计方面的工作。