Анализ влияния ионной имплантации на коррозионностойкость и загрязняемость поверхностей теплообмена

Полный текст

Введение

В современном мире, где технологии развиваются стремительно, вопросы повышения энергетической эффективности и долговечности теплообменного оборудования становятся всё более актуальными. Одним из ключевых аспектов в этой области является улучшение характеристик поверхностей теплообмена энергетического оборудования, которое играет важную роль во многих промышленных процессах. Традиционные методы модификации поверхностей теплообмена, такие как оребрение, лункование, установка турбулизаторов потока, искусственная шероховатость поверхности, закрутка потока спиральными рёбрами, использование спиральных труб, создание щелевых каналов, использование наклонных поверхностей, воздействие на рабочий агент акустических, пульсационных, магнитных и электрических полей, воздействие на поверхность теплообмена путём вибрации и вращения [1–2], имеют свои ограничения и не всегда обеспечивают желаемый результат.

Одним из перспективных направлений в сфере интенсификации теплообмена является использование ионной имплантации — процесса, позволяющего внедрять атомы или ионы в поверхностный слой материала, изменяя его свойства на микроуровне. Как показано в работе [5], ионная имплантация может привести к изменению поверхностной структуры материала, такой как создание микроканалов, лакун и наплавок. Это может увеличить площадь поверхности теплообмена, улучшить её смачиваемость и повысить эффективность теплоотдачи в режиме кипения жидкости. Ионная имплантация может усилить стойкость материала к высоким температурам, улучшить его жаростойкость. Это может способствовать также повышению интенсивности кипения, поскольку материал будет менее подвержен повреждению в условиях высоких температур и интенсивных тепловых потоков.

Однако вопрос о влиянии ионной имплантации на коррозионностойкость поверхностей теплообмена остаётся малоизученным.

Цель

Целью данного исследования является анализ влияния ионной имплантации на загрязняемость и коррозионностойкость поверхностей теплообмена теплообменного оборудования.

Методы

В рамках данного исследования применялись методы сравнительного анализа для фиксации изменения состава поверхностного слоя исследуемых образцов. Исследования микротвёрдости проводились в направлении от поверхности в глубину испытуемого образца с помощью прибора Neophot-2 на поперечных металлографических шлифах, вырезанных перпендикулярно имплантации.

На первом этапе авторами был проведён анализ влияния коррозии и отложений теплообменных поверхностей на интенсивность процесса теплообмена. Современные теплообменные аппараты работают при высоких температурах и давлении, поэтому износ поверхностей теплообмена — распространённое явление. Теплообменное оборудование не всегда вырабатывает заложенный срок службы, и одна из причин — неудовлетворительное качество воды.

Вода — один из самых распространённых теплоносителей в энергетике и промышленности благодаря хорошим теплофизическим свойствам, безопасности и доступности.

Вода должна проходить процедуру химводоподготовки, чтобы снизить загрязняющие отложения в теплообменных аппаратах и энергооборудовании. Однако на практике не всегда используется вода надлежащего качества. Основные причины этого: отсутствие систем химводоочистки, несоответствие системы водоподготовки качеству исходной воды, отключение системы химводоочистки при отсутствии расходных материалов, халатное отношение персонала.

Использование воды ненадлежащего качества приводит к ускоренному загрязнению теплообменных поверхностей, особенно в испарительных аппаратах. Паровая фаза не способна унести с собой большое количество загрязняющих элементов, и они осаждаются на теплообменных поверхностях. Так, на рис. 1 и 2 показаны различные варианты загрязнений теплообменных поверхностей пластинчатых и кожухотрубных аппаратов.

 

Рис. 1. Загрязнение кожухотрубного теплообменного аппарата.

Fig. 1. Contamination of a shell-and-tube heat exchange device.

 

Рис. 2. Загрязнение пластинчатых теплообменных аппаратов.

Fig. 2. Contamination of plate heat exchange devices.

 

Как видно из рис. 1 и 2, на поверхностях теплообмена образуется большое количество первичной накипи и продуктов коррозии металла. Согласно [6], основными компонентами отложений являются карбонат кальция, сульфат кальция, оксиды железа, фосфаты, сульфаты и др.

Как показано в работах [7–9], отложения на поверхности теплообмена отрицательно сказываются на величине коэффициента теплопередачи, что связано с низкой теплопроводностью веществ, входящих в состав отложений. Так, по данным [7], слой отложений толщиной в один миллиметр по термическому сопротивлению $R_{\lambda }$ соответствует сорокамиллиметровой стальной стенке.

Чтобы наиболее полно показать влияние отложений на коэффициент теплоотдачи, рассмотрим взаимосвязь между толщиной слоя отложений и коэффициентом теплопередачи в совокупности с отношением расчётного коэффициента теплопередачи к изменённому $k_{\text{загр}}$ вследствие загрязнения теплообменной поверхности.

Принимая в качестве допущения, что истощаемость слоя материала поверхности теплообмена вследствие износа мала, можем записать отношение расчётного коэффициента теплопередачи к изменённому из-за загрязнения $\raisebox{1ex}{$k_{\text{загр}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$k_0$}\right.$ выражением:

$\frac{k_{\text{загр}}}{k_0}=\frac{1}{1+k_0\cdot \frac{{\delta }_{\text{отл}}}{{\lambda }_{\text{отл}}}}$, (1)

где $k_{\text{0}}$ — расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); $k_{\text{загр}}$ — изменённый вследствие загрязнения коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); ${\delta }_{\text{отл}}$ — толщина слоя отложений, м; ${\lambda }_{\text{отл}}$ — коэффициент теплопроводности слоя отложений, Вт/(м·К).

Получив зависимость $\raisebox{1ex}{$k_{\text{загр}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$k_0$}\right.$ от ${\delta }_{\text{отл}}$ в выражении (1), построим график (рис. 3) для диапазона значений $k_{\text{0}}$ от 800 до 9000 Вт/(м²·К). Данный диапазон охватывает большую часть рабочих режимов теплообменных аппаратов.

 

Рис. 3. Зависимость k_загр /k₀ от толщины слоя отложения δ.

Fig. 3. Dependence of k_загр /k₀ on deposit layer thickness δ.

 

Как видно из рис. 1, с увеличением толщины отложений отношение $\raisebox{1ex}{$k_{\text{загр}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$k_0$}\right.$ стремительно убывает. Также стоит отметить, что наиболее заметно влияние толщины отложения на такие теплообменные аппараты, в которых изначально было заложено высокое значение коэффициента теплопередачи. Говоря другими словами, чем больше изначальное значение коэффициента теплопередачи, тем сильнее на него оказывает влияние загрязнение.

Согласно работам [10–12], заметное снижение коэффициента теплопередачи даже после одного года работы теплообменного оборудования составляет 5%, после второго — 15%, после третьего и далее — 25%, а слой отложений толщиной от 5 до 10 мм приводит к перерасходу тепловой энергии от 30% до 200% в зависимости от состава отложений и вида используемого оборудования.

Учитывая вышесказанное, борьба с отложениями в теплообменном оборудовании является одной из наиболее важных задач, которая непосредственно связана с задачами продления срока службы, снижения аварийности при эксплуатации и повышения энергетической эффективности энергооборудования.

Одним из способов борьбы с загрязнениями поверхностей теплообмена может является ионная имплантация. Исследования, проведённые авторами, показали, что существенную роль в структурных переходах при ионной имплантации играет возбуждение электронной подсистемы [13]. Это облегчает перестройку электронных конфигураций атомных остатков, и валентные состояния изменяются (что характерно в первую очередь для переходных металлов).

О глубоких изменениях структуры в процессе ионной имплантации свидетельствуют результаты исследований микротвёрдости и распределения элементов в поверхностном слое материалов.

Для анализа были взяты три сплава алюминия: 1160 (Д16), 1190 (Д19), 1420 (сплав системы А1-Mg-Li отличается от сплава 1160 пониженной на 11% плотностью и повышенным на 4% модулем упругости) подвергнутые имплантации ионами азота. Энергия имплантации Е=5 КэВ, концентрация ионов Д=1018 ион·см², t=200 °С.

Результаты

По результатам анализа была построена зависимость микротвердости от расстояния до поверхности алюминиевых сплавов после ионной имплантации (рис. 4).

 

Рис. 4. Зависимость микротвёрдости от расстояния до поверхности алюминиевых сплавов после ионной имплантации азотом.

Fig. 4. Dependence of microhardness on the distance to the aluminum alloy surface after ion implantation with nitrogen.

 

Как видно из рис. 4, для образца 1190 поверхность сплава упрочняется, а на расстоянии 30–70 мкм от поверхности образца алюминиевого сплава происходит постепенное разупрочнение и микротвёрдость сплава плавно снижается до значений твёрдости основы — 100 МПа. Сплав 1420 в результате ионной имплантации упрочняется, при этом значения его микротвёрдости у поверхности составляют 410 МПа, после чего следует постепенное снижение данной характеристики на расстоянии 40–50 мкм от поверхности вплоть до значений микротвердости основы 110 МПа. Что же касается образца 1160, то в нём происходит разупрочнение сплава, при этом значения твёрдости у поверхности составляют около 65 МПа, что существенно ниже, чем твёрдость основы (110 МПа).

С помощью локального микрорентгеноспектрального анализа были определены локальный химический состав включений, фаз, зёрен, а также отдельных элементов между структурными составляющими. Результаты анализа приведены на рис. 5.

 

Рис. 5. Распределение элементов в поверхностном слое сплавов алюминия.

Fig. 5. Distribution of elements in a surface layer of aluminum alloys.

 

На рис. 5 представлено качественное распределение в глубь элементов Cu, Mg, Al в поверхностном слое сплавов 1420, 1190 и 1160.

На исследуемом образце сплава 1160 после имплантации на расстоянии ≈ 100 мкм наблюдается уменьшение содержания элементов алюминия, а на расстоянии ≈ 150 мкм — увеличение содержания элементов магния и меди.

На образце 1190 наблюдается увеличение содержания элементов меди на расстоянии ≈ 150 мкм и элементов магния на расстоянии ≈ 50 мкм. Содержание элементов алюминия в поверхностном слое уменьшилось на расстоянии ≈ 100 мкм.

На образце 1420 наблюдается перераспределение элементов основы, при этом наиболее активно участвовали с образованием нитридов магния и алюминия, которые имеют меньшую энергию образования нитридов по сравнению с медью.

Принимая во внимание изменение микротвёрдости материала, а также структурные изменения состава поверхностных слоёв после ионной имплантации, можно сделать вывод о том, что будут изменяться и свойства материала. Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования влияния ионной имплантации на краевой угол смачивания и загрязняемости поверхности теплообмена.

Для проведения измерения краевого угла смачивания образец помещался на предметный столик и с помощью перемещающегося механизма устанавливался под объективом. Формирование капли на исследуемой поверхности производилось путём подачи жидкости с помощью шприца объёмом 1 мл иглой, внутренний диаметр которой равен 0,23 мм, а внешний — 0,4 мм. Результаты определения краевого угла смачивания представлены на рис. 6.

 

Рис. 6. Определение краевого угла смачивания на (a) имплантированной поверхности, (b) стандартной поверхности.

Fig. 6. Definition of wetting angle at (a) the implanted surface and (b) at the basic surface.

 

На рис. 6. наглядно видно изменение краевого угла смачивания после имплантации с 20° до 50°, что свидетельствует о гидрофобизации поверхности рабочей ячейки. Изменение свойств поверхности теплообмена может оказывать прямое влияние на плотность работающих центров парообразования, как показано в работе [14].

Следующим этапом работы стала экспериментальная проверка влияния ионной имплантации на загрязняемость поверхностей теплообмена. На рис. 7 и 8 показаны результаты серии опытов с кипячением загрязнённых жидкостей, воздействия ПАВ и имитацией неправильной консервации промышленного теплообменного оборудования.

 

Рис. 7. Воздействие на теплопередающую ячейку ПАВ и неправильной консервации: a — неимплантированная ячейка; b — имплантированная ячейка.

Fig. 7. Impact on the heat-transfer cell with surfactants and incorrect conservation: a — the non-implanted cell; b — the implanted cell.

 

Рис. 8. Результаты кипячения загрязнённых жидкостей: a — неимплантированная ячейка; b — имплантированная ячейка.

Fig. 8. Results of boiling of contaminated liquids: a — the non-implanted cell; b — the implanted cell.

 

Как видно из рис. 7, а, при воздействии на стандартную поверхность ПАВ образуется плотный нерастворимый осадок, имеющий пористую структуру. Появление осадка обусловлено взаимодействием ПАВ с оксидной плёнкой алюминия. Данный эффект происходит из-за наличия в составе ПАВ октадециламин (ОДА). На рис. 7, b показана имплантированная поверхность. Под воздействием ионной имплантации изменяется структура поверхностных слоёв, и, как следствие, полностью пропадает оксидная плёнка алюминия, что в свою очередь устраняет проблему нежелательного взаимодействия с ОДА и даёт возможность применения ПАВ для алюминиевых поверхностей теплообмена.

На рис. 8 показаны результаты кипячения загрязнённой жидкости. В качестве загрязнителя использовались битумный герметик, высокоминерализованная вода и сырая вода с высоким содержанием железа. Как видно из рис. 8, на стандартной поверхности наблюдается большое количество отложений даже после промывания проточной водой (промывание проводилось как для стандартной, так и для имплантированной поверхности).

Для поверхности с ионно-плазменной имплантацией (см. рис. 8, b) нерастворимого осадка не наблюдается. Это объясняется тем, что после имплантации на поверхности вообще отсутствует видимая оксидная плёнка. На рис. 8, b видно, что после имплантации осаждение на поверхность происходит в гораздо меньшей степени, загрязняющие вещества легко «отрываются» при перемешивании объёмов жидкости во время развитого пузырькового кипения, а остатки веществ легко удаляются во время промывки.

Обсуждение

Исследование влияния ионной имплантации на алюминиевые сплавы показало, что имплантация может приводить не только к упрочнению, но и к разупрочнению поверхностного слоя. Изменения в содержании элементов Cu, Mg, Al на разных глубинах для каждого из исследованных сплавов указывают на то, что и химические свойства поверхности будут изменяться вслед за химическим составом.

Результаты исследования краевого угла смачивания и загрязняемости поверхностей теплообмена демонстрируют потенциальное практическое применение полученных знаний. Увеличение краевого угла смачивания после имплантации указывает на улучшение гидрофобных свойств поверхности, что может быть полезно в различных областях, таких как создание самоочищающихся покрытий или защита от коррозии. Снижение загрязняемости имплантированных поверхностей также подчёркивает их преимущества перед традиционными методами обработки.

Заключение

1. Падение энергетической эффективности в связи с загрязнением поверхностей теплообмена больше проявляется в теплообменных аппаратах, в которых изначально было заложено высокое значение коэффициента теплопередачи.
2. Ионная имплантация не только повышает микротвёрдость и износостойкость материалов, но и препятствует появлению оксидной плёнки, что в свою очередь уменьшает загрязняемость поверхности теплообмена, а также делает поверхность теплообмена менее восприимчивой к длительному воздействию ПАВ.
3. Данные результаты могут быть испробованы в качестве рекомендаций при проектировании промышленного испарительного и теплообменного оборудования, особенно при использовании в качестве теплоносителя агрессивных сред.

Дополнительная информация

Вклад авторов. И.Л. Савельев ― написание текста рукописи, редактирование текста рукописи; Л.А. Марюшин ― экспертная оценка, утверждение финальной версии; Е.А. Чугаев ― создание изображений, подбор ПАВ; И.С. Сёмочкин ― поиск публикаций по теме статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Additional information

Authors’ contribution. I.L. Savelev ― writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript; L.A. Marushin ― expert opinion, approval of the final version; E.A. Chugaev ― creating images, selection of surfactants; I.S. Semochkin ― search for publications on the topic of the article. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding

Об авторах

Илья Леонидович Савельев

Московский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: totoroboy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0865-3826
SPIN-код: 7043-6439

аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38

Леонид Александрович Марюшин

Московский политехнический университет

Email: katzbalger@ya.ru
ORCID iD: 0009-0000-5240-0186
SPIN-код: 3812-2917

канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38

Евгений Анатольевич Чугаев

Московский политехнический университет

Email: kafedrapte@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-5799-2166
SPIN-код: 9726-3492

аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38

Илья Сергеевич Сёмочкин

Московский политехнический университет

Email: ipc77@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-6057-6138

аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38

Список литературы

Дополнительные файлы