相变传热热管表面防结垢涂层配料方法研究

孙玉领　于明涛　郭勇　许永平

摘 要：将相变传热管应用于锅炉省煤器中，能有效地实现节能降耗。但是，相变传热热管表面在使用过程中易产生结垢等层状堆积，且会迅速长大，最终堵塞热管的传热，导致热管发生爆管。为此，本文试图研究出一种涂层材料，喷涂到热管表面，从而解决或有效减缓结垢问题。

关键词：相变传热热管;涂层配料方法;防结垢

Abstract： The application of phase change heat transfer tube in boiler economizer can effectively save energy and reduce consumption. However， the surface of phase change heat transfer heat pipe is prone to layered accumulation such as scaling in the process of use， and will grow rapidly， eventually blocking the heat transfer of heat pipe， resulting in tube explosion. Therefore， this paper tried to develop a kind of coating material， which could be sprayed on the surface of heat pipe to solve or effectively slow down the scaling problem.

Keywords： phase change heat transfer heat pipe;coating compounding method;anti-fouling

相变传热热管是一种具有特高导热性能的新型传热元件，其导热能力超过任何已知金属。由于其具有高效传热性能，可大大提高传热效率，加之加工制造成本低廉，越来越受到供热等企业的高度重视，并逐渐得到推广使用。若能将相变传热热管广泛应用于锅炉行业，如锅炉的省煤器中，将会对我国节能降耗产生巨大的推动作用。

但是，相变传热热管表面在使用过程中易产生结垢等层状堆积，并且会迅速长大，最终会堵塞热管的传热，导致热管发生爆管事故。为此，本文试图研究出一种涂层材料，喷涂到热管表面，从而解决或有效减缓结垢问题。试验中，选择中温（250～450℃）和高温（450～1 000℃）的“碳钢-水”热管开展相变传热管表面涂层的配料方法研究。

1 热管表面增加涂（镀）层研究的现状

国内外学者对在热管表面增加涂（镀）层也开展了大量研究工作。

程延海、邹勇等[1]人在防垢涂层对热交换器表面性能的影响研究中，通过调整工艺用化学镀的方法制备了具有不同结构形态的防垢涂层。进一步的界面张力分析表明，这些镀层均不润湿水，具有较低的表面自由能，且不同结构形态的涂层表面自由能与涂层结构形态之间没有线性的对应关系。

为解决燃用高硫煤的超临界、超超临界机组锅炉受热面发生的高温硫腐蚀与冲蚀磨损，李太江等[3]采用超音速火焰喷涂技术，喷涂自主开发的NiCr金属陶瓷涂层，研究该涂层的抗高温硫腐蚀性能以及冲蚀磨损性能，并通过现场挂片试验，考察涂层经过8 000h服役后的剥落情况。

20世纪60年代，美国TAFA公司把牌号为45CT的材料作为锅炉管道高温含硫气氛中的耐蚀耐磨防护涂层。英国在20世纪60年代开始进行热喷涂涂层防治锅炉管道的冲蚀和受热面腐蚀的小规模工业试验，采用等离子喷涂75Cr3C2/25NiCr和Al2O2作为抗飞灰冲蚀涂层，等离子喷涂50Cr/50Ni作为受热面耐腐蚀防护涂层。

在前文所述的研究中，涂层的成分、应用的领域、效果以及制备工艺等都有所不同。总的来说，上述研究中的涂层体系都未能较好地满足下列性能要求。①优良的抗高温防结垢、防积灰性能。要求涂层既具有较高的高温氧化环境下抗飞灰冲蚀磨损性能，又有防结垢和防积灰性能。②优良的耐热腐蚀性能。要求涂层具有较高的高温氧化、硫化气氛中的热腐蚀抗力。③优良的热导率性能，要求涂层材料既有高吸收率，又有高的发射率，这样才不会影响热量导出。④优良的抗热疲劳性能。由于锅炉在运行期间都有一定次数的停机，因此抗热疲劳性能是决定系统可靠性的主要因素之一。⑤具有与金属表面大致相同的热膨胀系数，保持涂层与金属表面的稳定结合。

2 涂料配比方法设计

以氧化铝微粉、堇青石粉体、黏土粉短纤维、矾土粉等为主要原料，以硅溶胶为结合剂，制备使用温度小于等于450℃的防结垢、防积灰、防腐蚀、抗冲刷的涂料。

以氧化锆、氧化铝为主要原料，以硅溶胶和树脂为结合剂，制备使用温度达450～1 000℃的耐高温防结垢、防积灰、防腐蚀的涂料、抗冲刷涂料。

制备该水性涂料的过程为：首先，将膨润土、粉体、黏土等几种无机粉料初步混合均匀后加入JJ-1电动搅拌仪中，然后加入去离子水、分散剂充分搅拌得到陶瓷浆料;向陶瓷浆料中滴入消泡劑，继续搅拌，加入结合剂、硅熔胶和苯丙乳液成膜物质，搅拌得到陶瓷浆料;向陶瓷浆料加入CMC，慢速搅拌，制得涂料。

3 试验测试设备及方法

3.1 试验设备

试验中用到的设备如表1所示。

3.2 测试方法

3.2.1 涂层强度的测试方法。涂层强度的测试方法为“指擦法”。“指擦法”把涂层强度划分为四个等级。Ⅰ级：手指用力摩擦涂层完全不起粉，手指甲用力划也不起粉;Ⅱ级：手指用力摩擦涂层稍微起粉，手指甲用力划略微起粉;Ⅲ级：手指用力摩擦涂层明显起粉;Ⅳ级：手指用力摩擦涂层严重掉粉。

3.2.2 分散稳定性的测试方法。采用“沉降法”来测试浆料的分散稳定性。把浆料倒入100mL的带塞量筒中，使其高度达到100mL。静置3h，测定量筒上部澄清液的体积为v（mL），浆料分散稳定性[α]的计算公式为：

3.2.3 涂料抗热震性能测试。涂料的抗热震性能采用KRZ-430抗热震性实验机来测量。涂料搅拌分散均匀后涂刷在金属板上，经过烘干并在高温下进行热震风冷试验，记录风冷后次数和带涂层金属制品的表观形貌。

4 涂料配比测试数据分析

4.1 成膜物质

试验中配制了硅溶胶用量分别为粉料质量的10wt%、15wt%、20wt%、25wt%的涂料，刷涂在热管表面形成涂层，干燥后经900℃×1h热处理，随炉冷却。以指擦法测试涂层热处理后的强度。结果如表2所示。

硅溶胶是主要成膜物质，其用量直接影响涂层的强度。硅溶胶用量低时，涂层强度低;硅溶胶用量高时，涂层强度也低。

硅溶胶单独作为成膜物质，涂膜固化时胶粒间通过羟基脱水缩合形成刚性的微孔骨架结构，但二氧化硅粒子间脱水时体积收缩过大，形成的涂膜成刚性，易产生裂纹。

为了解决硅溶胶固体含量低、干燥收缩大而引起的涂膜开裂问题，比较好的方法是在涂料配方中复合一定数量的合成树脂乳液。苯丙乳液是由苯乙烯、丙烯酸酯类等单体共聚的乳液。硅溶胶-苯丙乳液复合涂膜的结构非常致密坚硬，其硬度可达4H以上，可以提高涂料的硬度、抗水和耐摩擦性[4]。崔锦峰等[5]的研究发现，pH值是影响硅溶胶-苯丙乳液成膜性能的最主要因素。当硅溶胶和苯丙乳液的pH值相差较大时，复合乳液稳定性变差。王国建等[6]研究了pH值对硅溶胶和苯丙乳液复配稳定性的影响，当苯丙乳液和硅溶胶的pH相差较大时，两者的稳定性降低。配制涂料应选择pH值接近的苯丙乳液和硅溶胶。试验中所用的苯丙乳液pH=8，与硅溶胶（pH=9）具有良好的相容稳定性。

硅溶胶-苯丙乳液的合适配比，配制了苯丙乳液用量为粉料量3wt%、5wt%、7wt%、10wt%的涂料配方，硅溶胶用量为20wt%，每个配方制备10个涂层，干燥后观察涂膜开裂情况，结果如表3所示。从表3可知，随着苯丙乳液用量的增加，涂膜开裂的情况逐渐减少。

4.2 助剂分析

4.2.1 分散剂。料浆中加入分散剂后，分散剂在料浆中通过与粉体颗粒表面发生作用（静电斥力作用、空间位阻作用和静电位阻作用）而阻止粉体相互团聚，使料浆的黏度大幅度下降。但是，当分散剂的用量超过一定值后，分散剂在粉体表面的吸附达到饱和，料浆中未被吸附的分散剂分子增多，分子链间的相互缠绕使料浆的黏度增大。因此，对于任意一种分散剂，对特定的粉体都有一个最佳的用量。

料浆的分散稳定性越好，料浆越不容易沉降分层。试验中，常常采用观察料浆沉降情况的方法来比较料浆的分散稳定性。以三聚磷酸钠为分散剂，其用量为0.2wt%时，料浆的分散稳定性最好;以巴斯夫FS10为分散剂，其用量为0.1wt%～0.2wt%时，料浆的分散稳定性最好;以聚丙烯酸铵为分散剂，其用量为0.2wt%～0.3wt%时，料浆的分散稳定性最好。而三聚磷酸钠、巴斯夫FS10和聚丙烯酸铵三种分散剂的最佳分散稳定性情况分别为85%、93%、98%，因此，聚丙烯酸铵的分散效果要好于三聚磷酸钠和巴斯夫FS10。

4.2.2 增稠劑。为了防止涂料在贮存过程中已分散的颗粒沉淀、板结，防止涂料在涂装时的流挂现象，涂料中需要加入增稠剂。本文主要分析聚丙烯酸钠（PAAS）对涂料流变性能的影响。

PAAS用量分别为0wt%、0.1wt%、0.2wt%和0.3wt%。PAAS以1wt%的溶液方式添加，即若添加0.1gPAAS，需要添加PAAS水溶液10g。充分搅拌后，在brookfield R/S–CC流变仪上测定不同剪切速率下料浆的黏度值。测定过程如下：剪切速率D从0r/s到300r/s，共用时300s，共测定了60个数据点。随着PAAS用量的增加，涂料在低剪切速率下的黏度先增加后降低。当PAAS的用量为0wt%和0.1wt%时，涂料近似于牛顿流体，涂料的黏度值随剪切速率变化很小。当PAAS的用量为0.2wt%和0.3wt%时，涂料剪切变稀的特性变得十分明显，具有触变性，涂料为假塑性流体。当PAAS的用量为0.2wt%时，PAAS对涂料的增稠效果最好。

5 结论

本文以堇青石、氧化铝、氧化锆耐火粉料，硅溶胶和苯丙乳液为复合成膜物质，聚丙烯酸铵为分散剂，钠基膨润土、CMC和凹凸棒黏土为复合增稠剂，制备了一种热管表面所用的水性涂料，并进行测试，证明采用的涂料配比方法配制的涂料具有较好的性能，能较好地缓解结垢和积灰问题，有效提高抗磨损和抗腐蚀的能力，同时又具有高发射率和高吸收率，而且形成了非常稳固致密的陶瓷涂层。

①使用硅溶胶-苯丙乳液作为成膜物质，当硅溶胶的用量为20wt%、苯丙乳液的用量为10wt%时，彻底解决了涂膜在干燥过程中的开裂问题。

②三种分散剂中，三聚磷酸钠较好的用量为0.2wt%，巴斯夫FS10较好的用量为0.1wt%，聚丙烯酸铵较好的用量为0.2wt%。聚丙烯酸铵的分散效果要好于三聚磷酸钠和巴斯夫FS10。

③使用PAAS为增稠剂时，其用量为0.2wt%时，对涂料的增稠效果最好。

④1 000℃堇青石体系涂层能与金属制品表层形成稳定的结合，能承受温度急剧波动并保持结构的稳定性，保证了涂层的安全可靠性。

⑤表面的电位阻碍了颗粒间的相互靠近，从而起到电场排斥积灰和水垢的作用。

参考文献：

[1]程延海，邹勇，程林.防垢涂层对热交换器表面性能的影响[J].化学工程，2009（2）：51-53.

[2]王瑞英.防垢耐蚀耐磨涂层的制备与性能研究[D].北京：中国石油大学，2010.

[3]李太江，李巍，李勇.超音速火焰喷涂制备NiCr金属陶瓷涂层的抗高温硫腐蚀与冲蚀磨损性能[J].中国电机工程学报，2012（20）：120-125.

[4]徐克.亲水性无定型TiO2/SiO2薄膜及其强化传热性能研究[J].化学工业与工程，2012（4）：58-62.

[5]崔锦峰，杨保平，马永强，等.硅溶胶—苯丙乳液复合路标涂料的研制[J].中国涂料，2006（12）：31-34.

[6]王国建，王凤芳.硅溶胶-苯丙乳液复合涂料的稳定性研究[J].绿色建筑，1992（1）：9-13.