熱交換器のチューブとシェル用の新たな耐食性コーティングとは何ですか?{0}

腐食した金属熱交換器を固体フッ素ポリマーまたは特殊合金ユニットに交換するには、費用がかかります。高度なコーティング技術は、第 3 の道を提供します。それは、従来の金属交換器の内面に薄く耐薬品性のバリアを適用し、数分の 1 の交換コストで耐用年数を劇的に延長することです。表面工学の分野では、新世代の高度な耐食性コーティング熱交換器フッ素ポリマー スプレー ライニング、ナノコンポジット コーティング、化学蒸着 (CVD) コーティングなどのシステムが登場しつつあります。-これらの技術により、金属製熱交換器は、機械的強度と熱性能を維持しながら、攻撃的な化学環境に耐えることができます。

フッ素ポリマー スプレー ライニング: PTFE-金属基材の保護と同様

フッ素ポリマースプレーライニングは、熱交換器表面を保護するための成熟した技術ですが、継続的に改善されています。 PFA、ETFE、ECTFE、PVDF の粉末は金属基板上に静電スプレーされ、ピンホールのない連続層に溶融されます。-。塗布プロセスには、基材の加熱、フッ素ポリマー パウダーの静電スプレー、およびこれを繰り返して目的の層の厚さを構築することが含まれます。-通常は最大 1000 ミクロンです。-14

これらのコーティングは、下にある金属シェルの機械的強度を活用しながら、PTFE と同様の耐食性を提供します。{0}カスタム ライニングは、厚さ 1.5 mm ～ 4.7 mm で、230 度までの過酷な化学サービスで使用する厚手のバージン フッ素ポリマー シートから製造されています。-15 PTFE、PVDF、ETFE、ECTFE、PFA、FEP などのコーティング材料-は、プロセス化学と温度要件に基づいて選択されます。-14

注目すべき開発は、多管式熱交換器のすべての液体およびガス接触領域に適用された焼成タイプのフッ素ポリマー ライニング (例: NFX-2700) です。{0}このようなコーティングにより、特定のフッ素ポリマー システムに応じて、機器は周囲温度から 800 度までの温度で完全な真空に耐えることができます。

フッ素ポリマースプレーライニングの主な利点は次のとおりです。

固体フッ素ポリマー交換体に匹敵するほぼ普遍的な耐薬品性-

金属基板の圧力定格と機械的強度の保持

既存の熱交換器を完全に交換するのではなく、改造する機能

-こびりつきにくく滑らかな表面仕上げにより、汚れがつきにくく、掃除が簡単です

ただし、これらのコーティングは、熱膨張係数が金属基材と大きく異なる場合、熱サイクルによる損傷を受けやすく、適切に塗布および検査されない場合、ピンホールやコーティングの欠陥によりアンダーカット腐食が発生する可能性があります。

ナノコンポジット コーティング: ナノ粒子-強化された保護

耐食性コーティングの有望な開発は、ナノ粒子を注入したナノ複合材料-ポリマーまたはセラミック マトリックスを使用して、耐食性と耐摩耗性を強化した高密度で密着性の高いバリアを作成することです。ナノコンポジット コーティングは、ナノ粒子 (通常は直径 10 ～ 100 nm) のユニークな特性を利用して、空隙を埋め、曲がりくねった拡散経路を作成し、従来のコーティングが達成できるものを超えて機械的特性を向上させます。

製油所リボイラーのナノコンポジット処理

反復開発プロセスを使用して、蒸留リボイラーでの塩化物や硫化物塩の蓄積によって引き起こされる腐食から保護するように特別に設計されたポリマー ナノ複合表面処理を特定および合成しました。-20-21 この非フッ素化処理は、標準的なスプレー方法を使用して適用され、最先端のコーティング材料に匹敵する耐久性、高酸および高塩基溶液に対する耐薬品性、-を実証しました。- ASTM B117 テストによって耐食性が検証されました。-20-21 350 度まで互換性があり、この材料は、同様の材料の現場での導入に基づいて、リボイラー システムの寿命が 2 倍になる可能性があることを示唆しています。-20-21

Ni-Al₂O₃ および Ni-SiO₂ ナノ複合コーティング

研究では、316 ステンレス鋼プレート熱交換器の腐食、耐摩耗性、熱伝導率に対する Ni-Al₂O₃ ナノ複合コーティングの影響が調査されています。 Al₂O₃ ナノ粒子濃度 10、20、および 30 g/L のワット浴での電気めっきによって開発されたこれらのコーティングは、大幅な性能向上を示しました。-22 強化濃度 30 g/L の Ni-Al₂O₃ ナノ複合材料は、純ニッケル コーティングよりも高い耐食性を示し、コーティングされていない 316 ステンレスよりも最大 15% 高い耐摩耗性を示しました。鋼と比べて摩擦係数が最大 10% 低くなります。-22 微小硬度は、すべての強化濃度にわたって 316 ステンレス鋼の 3 倍以上と測定され、接着試験後に剥離や剥離は観察されませんでした。-22

同様に、Ni-SiO₂ ナノ複合コーティングは、316 ステンレス鋼の熱交換器用途で研究されており、腐食環境での耐用年数が延長されています。- 無電解 Ni-P-SiO₂ 複合コーティングは、優れた防汚性能と優れた耐食性を示しており、コーティングされたチューブはコーティングされていない表面と比較して汚れ現象を大幅に低減します。-

新たなナノコンポジットのイノベーション

最近の技術革新には、耐摩耗性 SiC/PFA 表面層、耐食性-フッ素化グラフェン (FG)/PFA 中間層、および PEEK 接着層で構成される、排ガス熱交換器用の新しいサンドイッチ構造{0}}多機能複合コーティングが含まれます。-1 最適化された配合により、90 wt% H₂SO4 に 60 日間浸漬した後も構造的完全性が維持されました。 140 度で、耐食性が 2 桁以上向上しました。-1 熱伝導率は 13 ～ 16% 増加し、対流凝縮の熱伝達係数は膜状凝縮の 1.7 ～ 1.9 倍でした。-1

もう 1 つの画期的な進歩には、金属基材表面上の化学反応によって高密度の無機相互侵入ネットワーク ポリマー層を形成し、物理的接着ではなく化学結合を実現する「成長型」ナノ複合コーティングが含まれます。-59 このコーティングは、20,000 時間を超える中性塩水噴霧耐性、最大 1,600 度までの長期温度耐性、6H の硬度、および自己修復性を実証しました。-機能 - 損傷時に微小亀裂を自動的に修復します。-59

CVD コーティング: 超薄型、コンフォーマル保護

化学蒸着 (CVD) コーティングは、熱伝達性能を損なうことなく極度の耐食性を提供する極薄のコンフォーマル バリアを提供します。{0} SilcoTek の特許取得済みの CVD コーティングは基板に分子結合しており、熱サイクル下での剥離や層間剥離を防止し、視線外に塗布され、複雑な形状や長いチューブも均一にカバーします。-29-30 コーティングは極薄（2 μm 以下）なので、熱伝達効率に影響を与えません。-29

コーティング性能データ

Dursan、Silcolloy、Siltride などの CVD- コーティングは、熱性能を維持しながら、腐食、汚れ、コークス化、汚染と戦うのに役立ちます。- 具体的な性能指標は次のとおりです。

ドゥルサン: 6M HCl 中での腐食が 160 mpy から約 1 mpy に減少しました。優れた熱伝達を維持するのに十分な薄さを維持しながら、ステンレス鋼の 2 倍の耐摩耗性を実現。ダーサン-でコーティングされたアルミニウムは、合成海水によるスケーリング試験で圧力降下性能が 74% 向上しました。-29-30

シルコロイ2000: 800 度まで耐え、酸性高温環境でも優れた耐性を発揮します。-テストでは、コーティングされていないステンレス鋼と比較して、500 度でコーティングされたステンレス鋼ではコーキングが 9 分の 1 であることが示されています。-29

シルトリド1000: 強酸や攻撃的な化学物質に対して最も強力な保護を提供します。-29

電力研究所（EPRI）と米国エネルギー省からの独立した検証では、チタンコンデンサーチューブの 9 つのコーティング技術を評価し、SilcoTek の Dursan および Notak 2000 に熱伝導性と接着性の両方で完璧な性能評価を与えました。-30

CVDコーティング選択ガイド

データソース: SilcoTek-29

新興コーティング技術の利点と限界

これらの高度なコーティングは、固体フッ素ポリマー交換体と特殊金属合金の両方に勝るいくつかの魅力的な利点を提供します。

固体の外来材料よりも低コスト: 従来の金属熱交換器のコーティングは、通常、タンタル、ジルコニウム、または高ニッケル合金から熱交換器を製造するコストの数分の 1 で済みます。

既存の交換器を改造する機能: 多くのコーティング技術はその場で適用でき、交換することなく既存の機器の寿命を延ばします。

金属の機械的強度と熱伝導率の保持: 固体フッ素ポリマー交換器とは異なり、コーティングされた金属交換器は高い圧力定格と効率的な熱伝達を維持します。

メンテナンスとダウンタイムの削減: 防汚性-コーティングが堆積物の蓄積を防ぎ、掃除の頻度とそれに伴うダウンタイムを削減します。-56

ただし、次のような制限が残ります。

熱サイクルによる損傷: コーティングと基材の間の膨張差により、急激な温度変化により亀裂や層間剥離が発生する可能性があります。

機械的虐待に対する感受性: コーティングは、機械的衝撃、研磨粒子、または不適切な洗浄方法によって損傷する可能性があります。

ピンホールのリスク: コーティングに小さな欠陥があると、下地の金属が腐食にさらされ、急速なアンダーカットや局所的な破損につながる可能性があります。

適切な表面処理が重要です：コーティングの密着性のためにはグリットブラストと徹底的な洗浄が不可欠です。表面処理が不十分であると、コーティングが早期に破損する主な原因になります。

コーティング比較表

注: コスト倍数は概算であり、コーティング材料、基材のサイズ、アプリケーションの複雑さによって大きく異なります。

申請ガイダンス

適切なコーティング技術の選択は、特定のプロセス条件に基づいて行う必要があります。

フッ素樹脂スプレーライニングを選択してください中程度の温度 (最大 ~230 度) で幅広い化学的適合性が必要であり、基材がより厚いコーティングに対応できる場合。これらは、汚染を避ける必要がある化学処理、製薬、半導体用途に適しています。--14

ナノコンポジットコーティングを選択するより高い温度耐性（350 度以上）、耐摩耗性、または非フッ素化化学が必要な場合。-これらは、製油所のリボイラー、地熱環境、高温の排ガス システムに特に効果的です。-20-21

CVDコーティングを選択してください熱伝達効率に影響を与えることなく極薄でコンフォーマルな保護が必要な場合、-特に複雑な形状、長いチューブ束、極度の純度が要求される用途（半導体、製薬）などで使用されます。-29-30

結論

高度なコーティングにより、腐食環境下での金属製熱交換器の寿命が延び、材料全体のアップグレードに代わる費用対効果の高い代替手段が提供されます。{0}フッ素ポリマー スプレー ライニングは、金属基材に PTFE- のような耐薬品性をもたらします。ナノコンポジット コーティングは、熱安定性、耐摩耗性、さらには自己修復特性を強化します。- CVD コーティングは、極薄の分子結合バリアを作成し、腐食、汚れ、コークス化に耐えながら熱伝達効率を維持します。コーティングの選択は、表面処理と塗布品質に細心の注意を払い、特定のプロセス条件-温度、化学的環境、機械的要求、予想される耐用年数-に基づいて行う必要があります。これらの技術が成熟し続けるにつれて、腐食性の産業用途の範囲が広がり、コーティングされていない合金と固体フッ素ポリマーユニットの両方がコーティングされた金属熱交換器に置き換わるようになります。