Основы термического напыления

В данной статье основное внимание будет уделено применению термического напыления для борьбы с коррозией, а также будет дано краткое описание различных систем и типичные примеры использования.

Термическое напыление, также известное как металлизация распылением, - это процесс обработки поверхности / нанесения покрытия, при котором различные металлы, керамические материалы и полимеры напыляются на поверхность другого материала. Диапазон материалов, которые можно использовать в напылении, почти безграничен; если материал можно нагревать до его температуры плавления без выкипания, то его можно термически напылять.

Термическое напыление широко применяется для обеспечения коррозионной защиты черных металлов или для изменения свойств поверхности изделий, например, повышение износостойкости или теплопроводности. Диапазон применения термического напыления весьма обширный. Все методы термического напыления предполагают распыление мелких расплавленных или размягченных частиц на подготовленную поверхность, к которой они прилипают и образуют сплошное покрытие. Поскольку тепловая энергия в расплавленных частицах невелика по отношению к массе детали, в процессе передается очень мало тепла подложке.

Поскольку температура покрытой детали повышается минимально, тепловая деформация обычно не происходит, что является основным преимуществом по сравнению с нанесением покрытия методом погружения в расплав или сваркой.

Для получения расплавленных частиц требуется источник тепла, распыляемый материал и метод распыления. При контакте с обрабатываемой поверхностью частицы расплющиваются, застывают и механически связываются, сначала с шероховатой подложкой, затем друг с другом, по мере увеличения толщины покрытия.

Термическое напыление - это технология, которая защищает и существенно продлевает срок службы самых разнообразных конструкций, оборудования и сосудов в самых неблагоприятных условиях окружающей среды и в ситуациях, когда защитные покрытия крайне важны для долговечности. Диапазон металлизированных покрытий очень разнообразен, однако все их можно разделить на две основные категории: антикоррозионные покрытия и технические покрытия.

Самое распространенное применение металлизации распылением - это антикоррозионные покрытия, однако технические покрытия также широко применяются во многих отраслях для обеспечения износостойкости, в качестве теплового барьера, для электропроводности и теплопроводности, замены хрома и изоляции.

Металлизация распылением используется в следующих отраслях промышленности: морские установки, нефть и газ, судоходство, изготовление труб, нефтехимия, строительство, водоснабжение, канализация, судостроение, аэрокосмическая отрасль. В этих отраслях металлизация распылением используется для защиты конструкций, емкостей, трубопроводов, резервуаров для хранения воды / топлива, мостов и платформ и т.д.

Главные проблемы этих отраслей - коррозия и износ.

В данной статье основное внимание будет уделено применению термического напыления для борьбы с коррозией, а также будет дано краткое описание различных систем и типичные примеры использования.

ТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ

Термическое напыление можно выполнить с помощью четырех процессов: пламенное напыление, дуговое напыление, плазменное напыление и высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF); вручную или с использованием автоматизированных распылительных систем. Обычно для антикоррозионных покрытий используется только пламенное и дуговое напыление. Исключением может быть применение коррозионностойких сплавов в процессе HVOF для очень жестких условий окружающей среды.

ПРОЦЕСС ПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

В этом процессе в качестве источника тепла обычно используется пропановое или ацетиленовое топливо и газообразный кислород.

Распыляемый материал может быть в виде металлической проволоки, порошка или керамических стержней, а в качестве среды для переноса используется сжатый воздух. По ходу процесса газообразное топливо и кислород смешиваются и воспламеняются, создавая пламя. В пламя подается материал (проволока, порошок или стержень). Для пламенного напыления проволоки материал плавится, а сжатый воздух, проходящий через распылительную форсунку, распыляет расплавленный металл и выбрасывает его на поверхность детали. Чем больше диаметр проволоки, тем больше скорость распыления. Для пламенного напыления порошка частицы порошка (металл или керамика) размягчаются в пламени и газовое пламя через форсунку распыляет размягченный порошок на поверхность детали.

ПРОЦЕСС ДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ

Используется электрический источник тепла, распыляемый материал в виде проволоки, который переносится сжатым воздухом.

В этом процессе две проволоки (отсюда распространенный термин - электродуговое напыление с использованием двух проволок) подаются в распылитель и электрически заряжаются, одна положительно, другая отрицательно.

Проволоки сжимаются вместе и образуют электрическую дугу, которая плавит проволоку. Сжатый воздух. проходящий через форсунку, распыляет расплавленный металл на поверхность детали. Подачу проволоки можно выполнять тремя методами: толкать, тянуть и толкать/тянуть. Чем выше номинальный ток системы, например, 350 А, 700 А и т.д., тем выше скорость распыления.

ПРОЦЕСС ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

В качестве источника тепла используется плазменная дуга, распыляемый материал - порошок (керамика, металл или пластмасса), напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Плазма - это термин, используемый для описания газа, нагретого до такой высокой температуры, что он ионизируется и становится электропроводящим.

При плазменном напылении плазма создается электрической дугой, горящей в сопле плазмотрона, и по мере выхода из сопла газ образует плазменную струю. Частицы порошка подаются в эту струю, размягчаются и с высокой скоростью ударяются о поверхность, образуя высокоадгезивное покрытие.

Рабочая деталь остается холодной, поскольку плазма сосредоточена в плазмотроне.

ПРОЦЕСС ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ (HVOF)

В этом процессе в качестве источника тепла используется жидкое или газовое топливо и кислородное пламя, распыляемый материал - металлический порошок, переносимый на деталь с помощью пламени.

В данном процессе топливо, обычно жидкий керосин, смешивается с кислородом и воспламеняется. Газы сгорания проходят через сопло Лаваля и ускоряются примерно до 1500 м/с. Порошок подается в ускоренное пламя, где он размягчается и набирает скорость. В результате ударения частиц с высокой скоростью образуется высокоадгезивное, плотное покрытие.

Как отмечалось выше, процессы пламенного или дугового напыления обычно используются для получения коррозионностойких покрытий, но в чем разница между ними? Как и во многих технических ситуациях, на этот вопрос сложно ответить однозначно. В некоторых случаях свойства покрытий, получаемые благодаря тому или иному процессу, сами дают простой ответ, например, алюминий, нанесенный методом дугового напыления, обладает прочностью сцепления почти в 2,5 раза больше, чем алюминий, нанесенный методом пламенного напыления. Другие факторы включают эффективность осаждения, простоту эксплуатации, экологические факторы, продолжительность и затраты на техническое обслуживание, стоимость покрытия, безопасность.

Плазменные и HVOF-методы чаще используются для нанесения технических покрытий. Проще говоря, покрытия, нанесенные методами плазменного напыления и HVOF, более качественные, обладают более высокой прочностью сцепления и плотностью, чем покрытия, нанесенные методами пламенного или дугового напыления, однако они требуют больших затрат и больше времени на нанесение. Поэтому методы пламенного и дугового напыления чаще используются для коррозионной защиты более крупных конструкций. В некоторых областях применения, например, высокая температура в сочетании с сильным истиранием в бойлерах, хорошо подходят и используются покрытия, нанесенные методом HVOF.

КОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА

В качестве защитной системы для несущих стальных конструкций идеально подходят термически напыленные покрытия на основе цинка, алюминия и других сплавов.

По результатам ускоренных испытаний, а что еще более важно, долговременных эксплуатационных испытаний, несколько независимых стандартов содержат данные о сроке эксплуатации покрытий более 20 лет до того, как потребуется первое техническое обслуживание.

Эти данные рассчитаны для самых жестких условий эксплуатации, например, прибрежные, промышленные, морские зоны с воздействием брызг.

Для коррозионной защиты в основном используются цинк, алюминий и цинк-алюминиевые сплавы.

Выбор материала для конкретного проекта зависит от множества факторов, таких как окружающая среда (агрессивная атмосфера, высокая температура и др.), технические требования, прогнозируемый срок службы, адгезионные характеристики, доступность и наличие материала. В общем, цинк используется в условиях с низкой коррозионной опасностью, резервуары для воды, некоторые мосты и стальные конструкции общего назначения.

Алюминий используется в более агрессивных средах, например, погружение, контакт с соленой водой, зоны воздействия брызг. Кроме того, алюминий используется в высокотемпературных областях применения, таких как факельные трубы.

Цинк-алюминиевые сплавы нередко используют в средах, где коррозионная стойкость цинка не так важна.

Самая распространенная система, применяемая в нефтехимической промышленности, - это термически напыленный алюминий. В этой отрасли актуальной проблемой остается коррозия под изоляцией в трубопроводах и системах хранения, на которую тратится значительная доля бюджета на техническое обслуживание. Большая часть этих денег тратится на такие затратные статьи, как контроль наружной поверхности труб, удаление и повторная установка изоляции, окраска и замена труб. Применение термически напыленного алюминия оказалось успешной стратегией профилактики коррозии под изоляцией, которая позволила отрасли перейти на системы трубопроводов, не требующих контроля и технического обслуживания, и существенно сократить затраты на техническое обслуживание.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ

В недавнем проекте на ближневосточном нефтеперерабатывающем заводе одним из заказчиков успешно использовался концентратор распыления Metallisation Arcbeam.

Компания Anti Corrosion Protective Systems (APS), расположенная в Дубае, уже более 20 лет использует термическое напыление в различных проектах. Этот последний проект имел важное значение, поскольку компания APS успешно применила концентратор распыления Arcbeam, при этом предварительно оговаривалось использование высокоскоростного дугового распыления (HVAS). Arcbeam позволяет получить очень плотные покрытия с низким уровнем пористости, поэтому стал идеальным решением для нефтеперерабатывающего завода. Эта установка обеспечивает пористость меньше 2%, что играет ключевую роль в улучшении характеристик покрытия в этих жестких условиях эксплуатации.

Внутренние секции двух абсорбционных колонн диаметром 5,2 метра и двух охлаждающих колонн диаметром 5,4 метра были обработаны в зонах внутреннего кожуха, колпачковой тарелки и опорного кольца.

Поверхности были подготовлены к шлифованию для сглаживания острых кромок и участков, пораженных коррозией. Участки с покрытием были дробеструйно обработаны до степени чистоты SA 3 с минимальным профилем 90 мкм, с последующей окончательной абразивной очисткой с использованием оксида алюминия.

Внутренние кожухи абсорбционных и охлаждающих колонн были покрыты двухслойным покрытием Hastelloy® 73E с толщиной каждого слоя 225-250 мкм с применением системы ARC140. Поверхностное покрытие был обработан однослойным однокомпонентным полимерным уплотнителем, отверждаемым на воздухе (Sprayseal F), который наносился кистью до полного проникновения. Покрытая площадь каждой колонны составила приблизительно 80 м2.