Применение sio2-покрытий в водопроводящих системах охлаждения

Изобретение относится к применению покрытий из наночастиц SiO₂ в водопроводящих системах охлаждения для предотвращения абразивной коррозии и отложений, а также к способу получения такого покрытия. Технический результат – создание покрытий водопроводящих систем охлаждения, в частности, труб для хладагента, которые обеспечивает более длительный срок службы, то есть лучшую защиту от абразивной коррозии, а также от отложений, при этом покрытия не должны, в частности, чрезмерно ухудшать теплопроводность покрытых стенок трубы. 2 н. и 15 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к применению покрытий из наночастиц SiO₂ в водопроводящих системах охлаждения для предотвращения абразивной коррозии и отложений, а также к способу покрытия трубопроводов систем жидкостного охлаждения такими частицами. Подобные покрытия полезны, в частности, в системах водяного охлаждения тепловых электростанций.

Системы водяного охлаждения тепловых электростанций чаще всего работают на поверхностных водах из окружающей среды, т.е. на речной и морской воде. Из-за содержащихся в охлаждающей воде взвешенных веществ и растворенных веществ эти установки подвергаются воздействию множества внешних факторов, в частности, механическим, химическим и электрохимическим нагрузкам.

Механические нагрузки возникают из-за захваченных хладагентом твердых частиц, например, песка. Химические нагрузки возникают вследствие природы охлаждающей среды, например, из-за содержания в ней солей, щелочных или кислотных веществ. Здесь следует назвать, в частности, известное коррозионное воздействие использующейся в целях охлаждения морской воды или сильно загрязненной речной воды.

Под электрохимической, или гальванической коррозией следует понимать коррозию, возникающую из-за образования гальванических элементов на металлических граничных поверхностях, в частности, на переходах трубных решеток и труб для хладагента, причем эта коррозия может значительно усиливаться из-за электропроводящих жидкостей, например, морской или солесодержащей речной воды.

К этому следует добавить термические нагрузки, возникающие из-за разницы температур между охлаждающей средой и конденсирующимся паром, которая может намного превышать 100°C, и приводящие к механической нагрузке, в частности, в зоне развальцовки труб для хладагента в трубных решетках. Кроме того, повышенные температуры могут усилить коррозионное действие кислот, солей и других растворенных веществ.

Кроме того, следует упомянуть негативное влияние на функционирование пароконденсаторов отложений нежелательных веществ, образования водорослей и т.д. в трубопроводах, которое может усилиться, в частности, из-за шероховатости, возникающей в результате коррозии. Как следствие, процессы коррозии и отложений ускоряются с продолжительностью эксплуатации пароконденсаторов и взаимно усиливают друг друга, так как возникает все больше исходных точек для коррозии и отложений.

Поэтому уже давно перешли к тому, чтобы обеспечить пароконденсаторы антикоррозийным покрытием из синтетических материалов. В частности, для этого применяются покрытия на основе эпоксидной смолы. Сначала покрытие наносили преимущественно только на сами трубные решетки, что, однако, не решало особых проблем, связанных с процессами коррозии и отложениями в трубопроводах. Поэтому позднее покрытиями стали снабжать также впускные и выпускные трубы, чтобы защитить наиболее уязвимые переходные зоны. Меры вышеуказанного типа известны, например, из документов GB-A-1125157, DE1 939665U, DE7 702562U, EP 0 236388 A, а также EP94 106304A.

Внутреннее покрытие труб для хладагента долгое время было проблемой из-за их иногда существенных длин и из-за их малого диаметра, но, тем не менее, решение было найдено. В этой связи можно сослаться на WO97/197058 A1 и WO2012/045466 A1. Устройства, описанные в этих документах, позволяют нанесение покрытий на внутренние стенки трубопроводов для хладагента посредством регулируемой системы нанесения и специальной насадки для нанесения.

Покрытия на основе систем "эпоксидная смола + аминовый отвердитель" известны, например, из WO 95/29375 A1.

Обычные покрытия систем водяного охлаждения синтетическими материалами в принципе себя оправдали, но требуют регулярного осмотра. Часто оказывается, в частности, что в случае коррозионно-активной охлаждающей воды абразивная коррозия доходит до металла покрытых труб для хладагента. При благоприятных термических условиях дело доходит также до регулярного обрастания биологическими материалами. Минеральные отложения в соответственно загрязненных охлаждающих водах также распространены. Это приводит к тому, что трубы для хладагента необходимо чистить и покрывать заново. В частности, известные синтетические материалы непригодны для длительной защиты от абразивной коррозии.

Таким образом, существует потребность в таком покрытии водопроводящих систем охлаждения, в частности, труб для хладагента, которое обеспечивает более длительный срок службы, то есть лучшую защиту от абразивной коррозии, а также от отложений. Такое покрытие не должно, в частности, чрезмерно ухудшать теплопроводность покрытых стенок трубы.

Эта задача решена посредством применения покрытия из наночастиц SiO₂, как указано во введении.

Согласно изобретению, под абразивной коррозией понимается любой тип коррозии, которая ведет к эрозии и разрушению стенок системы охлаждения.

Применяющиеся в соответствии с изобретением наночастицы SiO₂ образуют на обработанной ими поверхности тонкий слой диоксида кремния толщиной ≤ 500 нм, предпочтительно от 50 до 300 нм. При этом речь идет не об обычной защите от окисления; оксидные слои различным образом подходят для защиты нижележащего металла от дальнейшей коррозии. Более того, покрытие герметизирует поверхность, предотвращает налипания и замедляет абразивную коррозию благодаря своей твердости.

Под отложениями понимаются как минеральные, так и биологические отложения, которые в системах охлаждения способны замедлить или остановить поток хладагента и, кроме того, препятствуют теплопереносу через стенки системы охлаждения.

Подходящие для применения покрытия из наночастиц SiO₂ сами по себе известны. Так, они служат для покрытия минеральных и биологических поверхностей, чтобы сделать их грязеотталкивающими. С помощью таких покрытий можно получить эффективную антивандальную защиту, а также, при включении биоцидных активных веществ, будет действовать защита растений. Покрытия получают путем нанесения водного золь-геля с частицами SiO₂, причем частицы SiO₂, как правило, имеют размер меньше 10 нм. В качестве примера можно сослаться на документы EP 1 826248 A1 и DE10/2007 060320 A1, в которых описано также получение золь-гелей, исходя из силанов. Этот способ получения приводится в качестве основной ссылки.

Водные растворы для покрытий наносят, в частности, путем распыления. При этом толщина слоя меньше 500 нм и, как правило, лежит в интервале примерно 50-300 нм, в частности, 80-150 нм. Оказалось, что более значительных толщин слоя достичь сложно, так как из-за гидрофильных и гидрофобных свойств этих слоев ограничивается также адгезия того же самого материала, как только нанесенный водный раствор застынет в твердый слой. Считается, что при этом происходят процессы ассоциации и полимеризации, которые приводят к непористому покрытию обработанной поверхности.

Покрытые поверхности показали себя по существу инертными в отношении механических, химических и электрохимических нагрузок. Благодаря их гидрофильной и гидрофобной природе налипание и отложение как минерального, так и биологического материала сильно затрудняется, так что покрытые таким способом поверхности длительное время остаются свободными, а трубопроводы для хладагента проходимыми. Покрытия не содержат пор, так что они надежно защищают нижележащий металл (или грунтовочные слои) и не оказывают существенного влияния на теплопроводность покрытой ими стенки.

Покрытия подходят, в частности, для нанесения на водопроводящие трубы для хладагента, а также на другие части системы охлаждения, например, трубные решетки, вентили, насосы и т.п. В принципе, такое покрытие из наночастиц SiO₂ можно использовать в любых водопроводящих системах, то есть, например, также в водопроводах, теплообменниках, системах отопления, проточных нагревателях, очистных установках, установках для водоподготовки, опреснительных установках, в частности, также в питающих трубопроводах и т.п.

Покрытия, используемые согласно изобретению, могут применяться также для инертизации поверхностей, в частности, трубопроводов для хладагента, которые применяются в установках опреснения морской воды, работающих по принципу выпаривания при понижении давления.

Может быть целесообразным перед нанесением наночастиц SiO₂ нанести грунтовочное покрытие, в частности, когда подлежащие покрытию системы водяного охлаждения уже являются старыми и имеют признаки коррозии, так что имеет смысл "заделать" корродированные места. Для этого оказались полезными системы "эпоксид + аминовый отвердитель", какие описаны, например, в WO95/29375 A1. Такое грунтовочное покрытие можно нанести в несколько слоев, причем толщина слоя в трубопроводах для хладагента, как правило, составляет по меньшей мере 80 мкм, а на трубных решетках может достигать 2000 мкм или больше. В трубопроводах для хладагента целесообразными, как правило, являются покрытия толщиной в интервале от 80 мкм до 250 мкм.

Далее, изобретение относится к способу покрытия трубопроводов систем жидкостного охлаждения таким покрытием, включающему следующие этапы:

(a) очистка трубопроводов водой под высоким давлением,

(b) при необходимости, нанесение грунтовочного покрытия и

(c) нанесение водного золь-геля из наночастиц SiO₂, которые уплотняются на поверхности с образованием слоя SiO₂.

Как правило, покрытие наносят способом распыления.

Очистку трубопроводов осуществляют водой высокого давления, при этом можно применять давления до 2500 бар. Например, в WO 2012/045466 A1 описана очистная система, которая имеет насадку, распыляющую в обратном направлении, которая работает в режиме обратного хода и имеет угол распыла от 60° до 120° к продольному направлению трубы для хладагента. Такая насадка, которая может применяться не только для очистки, но также для нанесения материалов покрытия, выгодна тем, что скапливающийся при очистке материал будет выноситься с потоком воды, и покрытие не будет ухудшаться и повреждаться из-за движений насадки и шланга для наносимого материала.

Достаточно одного слоя материала, применяющегося согласно изобретению, который наносят за один проход.

Грунтовочное покрытие имеет смысл прежде всего тогда, когда речь идет о старых трубах для хладагента, которые уже имеют следы коррозии и разъедания. Для грунтовочного покрытия, которое может быть нанесено в один или несколько слоев, подходит, в частности, вышеописанный материал на основе системы "эпоксидная смола+аминовый отвердитель". Толщины слоев грунтовочного покрытия таковы, как указано выше для покрытия труб.

Нанесение водного золь-геля для получения слоя SiO₂ также осуществляется способом распыления, причем можно использовать вышеописанные насадки, которые, правда, работают при существенно более низких давлениях. Как правило, давление для нанесения грунтовочного слоя составляет до 500 бар, в то время как для нанесения золь-геля всего до примерно 10 бар.

Относительно деталей об устройстве нанесения покрытия и способе покрытия следует обратиться к заявке WO 2012/045466 A1, сведения из которой прямо включены в настоящее описание.

1. Применение покрытий из наночастиц SiO₂, полученных нанесением водного золь-геля из наночастиц SiO₂, которые уплотняются с образованием слоя SiO₂, в водопроводящих системах охлаждения для предотвращения абразивной коррозии и отложений.

2. Применение по п. 1, отличающееся тем, что толщина слоя покрытий составляет ≤ 500 нм.

3. Применение по п. 2, отличающееся тем, что толщина слоя покрытия составляет от 50 до 300 нм.

4. Применение по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что водопроводящая система охлаждения представляет собой систему водяного охлаждения, работающую на речной или морской воде.

5. Применение по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что системы охлаждения представляют собой трубопроводы для тепловых электростанций.

6. Применение по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что под покрытием из наночастиц SiO₂ находится грунтовочное покрытие.

7. Применение по п. 6, отличающееся тем, что грунтовочное покрытие состоит из нескольких слоев.

8. Применение по п. 6 или 7, отличающееся тем, что в качестве грунтовочного покрытия применяется система "эпоксидная смола + аминовый отвердитель".

9. Применение по одному из пп. 6-8, отличающееся тем, что грунтовочное покрытие имеет толщину слоя от 80 мкм до 2000 мкм.

10. Способ покрытия трубопроводов водяного охлаждения, осуществляемый с применением покрытий из наночастиц SiO₂ согласно п. 1, включающий этапы:

(a) очистки трубопроводов водяного охлаждения водой под высоким давлением;

(b) при необходимости, нанесение грунтовочного покрытия;

(c) нанесение распылением водного золь-геля из наночастиц SiO₂, которые уплотняются на поверхности с образованием слоя SiO₂.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что очистку проводят при давлении до 2500 бар.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся нанесением грунтовочного слоя при давлении до 500 бар.

13. Способ по одному из пп. 10-12, отличающийся нанесением водного золь-геля при давлении до 10 бар.

14. Способ по одному из пп. 10-13, отличающийся тем, что очистка трубопроводов системы жидкостного охлаждения, а также нанесение грунтовочного слоя и нанесение водного золь-геля проводится с помощью насадки, которая выполнена для применения в режиме заднего хода, причем угол распыла составляет от 60° до 120° к продольному направлению обрабатываемой трубы.

15. Способ по одному из пп. 10-14, отличающийся тем, что толщина слоя SiO₂ составляет менее 500 нм и предпочтительно лежит в интервале от 50 до 300 нм.

16. Способ по одному из пп. 10-15, отличающийся тем, что наносится по меньшей мере один грунтовочный слой, причем толщина слоя составляет от 80 мкм до 2000 мкм.

17. Способ по одному из пп. 10-16, отличающийся тем, что в качестве грунтовочного слоя наносится система "эпоксидная смола + аминовый отвердитель".