PL196925B1

PL196925B1 - Method of depositing coating on tubes, in particular those of heat exchangers

Info

Publication number: PL196925B1
Application number: PL343208A
Authority: PL
Inventors: Tadeusz Hejwowski
Original assignee: Lubelska Polt
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2008-02-29
Also published as: PL343208A1

Abstract

Sposób wytwarzania powłok na rurach, zwłaszcza wymienników ciepła, znamienny tym, że powłokę wykonuje się na nie zdemontowanej rurze wymiennika ciepła a powierzchnię rury oczyszcza się i poddaje obróbce strumieniowo-ściernej a następnie natryskuje się warstwę podkładową proszkiem zawierającym 5-20% Al, korzystnie 5%, oraz Ni-reszta do uzyskania grubości przekraczającej 0,4 mm a następnie natryskuje się metodą „na zimno" powłokę proszkiem typu NiCrBSi o zawartości 11-14% Cr do grubości warstwy przekraczającej 0,5 mm, a następnie wykonaną powłokę nagrzewa się palnikiem gazowym lub wzbudnikiem indukcyjnym w celu przetopienia zewnętrznej warstwy powłoki.A method of producing coatings on pipes, especially heat exchangers, characterized in that the coating is made on an undismantled heat exchanger pipe and the pipe surface is cleaned and subjected to abrasive blasting, and then a primer layer is sprayed with a powder containing 5-20% Al, preferably 5%, and the rest Ni to obtain a thickness exceeding 0.4 mm, and then a coating is cold sprayed with a NiCrBSi type powder containing 11-14% Cr to a layer thickness exceeding 0.5 mm, and then the coating is heated with a gas burner or an induction heater to melt the outer layer of the coating.

Description

RZECZPOSPOLITAREPUBLIC

POLSKAPOLAND

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196925 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 343208 ^{(51) Int.Cl.} Patent Office of the Republic of Poland (12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 196925 (13) B1 (21) Application number: 343208 ^{(51) Int.Cl.}

B23P 6/00 (2006.01) C23C 24/00 (2006.01) C23C 24/08 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 12.10.2000 _{C23C 28/00 (2006.01)} B23P 6/00 (2006.01) C23C 24/00 (2006.01) C23C 24/08 (2006.01) (22) Filing date: 12/10/2000 _{C23C 28/00 (2006.01)}

B23K 9/04 (2006.01) (54) Sposób wytwarzania powłok na rurach, zwłaszcza wymienników ciepłaB23K 9/04 (2006.01) (54) Method for producing coatings on pipes, especially heat exchangers

(73) Uprawniony z patentu: Politechnika Lubelska,Lublin,PL(73) Patent holder: Lublin University of Technology, Lublin, Poland (43) Zgłoszenie ogłoszono: 22.04.2002 BUP 09/02(43) Notification published: 22/04/2002 BUP 09/02 (72) Twórca(y) wynalazku: Tadeusz Hejwowski,Lublin,PL(72) Inventor(s): Tadeusz Hejwowski, Lublin, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.02.2008 WUP 02/08(45) The patent was granted on: 29/02/2008 WUP 02/08 (74) Pełnomocnik: Tomasz Milczek, Politechnika Lubelska, Ośrodek Wynalazczości i Ochrony Intelektualnej(74) Representative: Tomasz Milczek, Lublin University of Technology, Center for Invention and Intellectual Protection

⁽⁵⁷⁾ Sposób wytwarzania powłok na rurach, zwłaszcza wymienników ciepła, znamienny tym, że powłokę wykonuje się na nie zdemontowanej rurze wymiennika ciepła a powierzchnię rury oczyszcza się i poddaje obróbce strumieniowo-ściernej a następnie natryskuje się warstwę podkładową proszkiem zawierającym 5-20% Al, korzystnie 5%, oraz Ni-reszta do uzyskania grubości przekraczającej 0,4 mm a następnie natryskuje się metodą „na zimno powłokę proszkiem typu NiCrBSi o zawartości 11-14% Cr do grubości warstwy przekraczającej 0,5 mm, a następnie wykonaną powłokę nagrzewa się palnikiem gazowym lub wzbudnikiem indukcyjnym w celu przetopienia zewnętrznej warstwy powłoki. ⁽⁵⁷⁾ A method for producing coatings on pipes, especially heat exchangers, characterized in that the coating is made on a non-dismantled heat exchanger pipe and the pipe surface is cleaned and subjected to abrasive blasting, and then a primer layer is sprayed with a powder containing 5-20% Al, preferably 5%, and the rest Ni to obtain a thickness exceeding 0.4 mm, and then a coating is cold sprayed with a NiCrBSi type powder containing 11-14% Cr to a layer thickness exceeding 0.5 mm, and then the coating is heated with a gas burner or an induction heater to melt the outer layer of the coating.

PL 196 925 B1PL 196 925 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powłok na rurach, zwłaszcza wymienników ciepła.The subject of the invention is a method for producing coatings on pipes, especially heat exchangers.

Zużycie erozyjno-korozyjne rur wymienników ciepła i elementów kotła energetycznego jest uważane za jedną z głównych przyczyn postojów kotłów energetycznych. Większość stopów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach stanowią stopy na bazie Ni, Co i Fe. Stopy te są łatwe w produkcji i posiadają stosunkowo wysoką temperaturę topnienia. W temperaturach przekraczających około 550° C na powierzchni tych stopów nie wytwarza się warstwa tlenków o dobrych własnościach ochronnych. W celu zapewnienia skutecznej ochrony należy dodać do składu chemicznego stopu stosunkowo duże zawartości określonych pierwiastków, głównie Cr, Al i Si. Stopy o takim składzie chemicznym posiadają jednak zbyt słabe własności mechaniczne i nie mogą być stosowane na elementy przenoszące obciążenia. Stosowane są dwie metody rozwiązania tego problemu: nasycanie dyfuzyjne powierzchni elementu określonymi pierwiastkami oraz wytwarzanie powłok na powierzchni elementów pracujących w podwyższonych temperaturach. Stosunkowo często są stosowane powłoki z proszków na bazie niklu. W przypadku elementów rurowych jedyną możliwością wykonania takich powłok jest natryskiwanie z jednoczesnym przetopieniem co w praktyce wymaga ogrzania dużego fragmentu rury do temperatury zbliżonej do temperatury topnienia proszków na bazie niklu, autorzy V.F. Godinez-Azcuaga, M.A. Marcial-Amaro i J. Porcayo-Calderon w pracy „Ultrasonic characterization of nickel-chromium-base anticonrosive coating opublikowanej w Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, s. 1285-1289, 1998 r., opisują sposób wytwarzania i własności powłok z proszków na bazie 50Ni-50Cr. Autorzy A. Tomiguchi, Y. Sochi, Y. Matsubara w pracy „Advantages of induction heat treatment in the application of self-fluxing alloy to boiler tubes opublikowanej w Materiałach 151h International Thermal Spray Conference, Nicea, Francja, 25-29 maja 1998 r., opisują sposób wykonania powłok na bazie niklu na powierzchni rur oraz w tej samej operacji po podgrzaniu rury metodą indukcyjną przetopienia położonej powłoki i zgięcia rury. Aktualnie stosowane metody natryskiwania powłok na rurach pozwalają otrzymać powłoki o dobrych własnościach jedynie w przypadku dobrego dostępu do pokrywanych elementów.Erosive-corrosive wear of heat exchanger tubes and power boiler components is considered one of the main causes of power boiler downtime. Most alloys designed for high-temperature operation are based on Ni, Co, and Fe. These alloys are easy to produce and have relatively high melting points. At temperatures exceeding approximately 550°C, an oxide layer with good protective properties does not form on the surface of these alloys. To ensure effective protection, relatively high contents of specific elements, primarily Cr, Al, and Si, must be added to the alloy's chemical composition. However, alloys with such a chemical composition have poor mechanical properties and cannot be used for load-bearing components. Two methods are used to address this problem: diffusion saturation of the component surface with specific elements and the formation of coatings on the surface of components operating at elevated temperatures. Nickel-based powder coatings are relatively common. In the case of pipe elements, the only possibility of making such coatings is spraying with simultaneous remelting, which in practice requires heating a large section of the pipe to a temperature close to the melting point of nickel-based powders, authors V.F. Godinez-Azcuaga, M.A. Marcial-Amaro and J. Porcayo-Calderon in their paper "Ultrasonic characterization of nickel-chromium-base anticonrosive coating" published in Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, pp. 1285-1289, 1998, describe a method for manufacturing and properties of coatings from 50Ni-50Cr powders. The authors A. Tomiguchi, Y. Sochi, Y. Matsubara in their paper "Advantages of induction heat treatment in the application of self-fluxing alloy to boiler tubes" published in Proceedings of the 151h International Thermal Spray Conference, Nice, France, May 25-29, 1998, describe a method for making nickel-based coatings on the surface of pipes and in the same operation after heating the pipe by induction, melting the applied coating and bending the pipe. Currently used methods of spraying coatings on pipes allow for obtaining coatings with good properties only in the case of good access to the covered elements.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania powłok na rurach, zwłaszcza wymienników ciepła polegający na tym, że powłokę wykonuje się na nie zdemontowanej rurze wymiennika ciepła a powierzchnię rury oczyszcza się i poddaje obróbce strumieniowo-ściernej a następnie natryskuje się warstwę podkładową proszkiem zawierającym 5-20% Al, korzystnie 5%, oraz Ni -reszta do uzyskania grubości przekraczającej 0,4 mm a następnie natryskuje się metodą „na zimno powłokę proszkiem typu NiCrBSi o zawartości 11-14% Cr do grubości warstwy przekraczającej 0,5 mm. Wykonaną powłokę nagrzewa się palnikiem gazowym lub wzbudnikiem indukcyjnym w celu przetopienia zewnętrznej warstwy powłoki.The invention is based on a method for producing coatings on pipes, particularly heat exchangers, by applying a coating to an unassembled heat exchanger pipe, cleaning the pipe surface and subjecting it to abrasive blasting. A primer layer is then sprayed with a powder containing 5-20% Al, preferably 5%, and the balance Ni to a thickness exceeding 0.4 mm. A coating is then cold-sprayed with a NiCrBSi powder containing 11-14% Cr to a thickness exceeding 0.5 mm. The resulting coating is heated with a gas burner or induction heater to melt the outer layer of the coating.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest możliwość wytwarzania powłok na elementach trudno dostępnych. Otrzymane powłoki charakteryzują się lepszą odpornością na zużycie erozyjne powodowane przez cząstki stałe zawarte w spalinach. Ponadto otrzymywane powłoki są bardziej szczelne i przez to bardziej odporne na korozję niż powłoki natryskiwane metod ą ł ukową lub gazowo-proszkową bez przetopienia. Przy właściwym doborze parametrów przetopione powłoki metodą indukcyjną lub gazową składają się z warstwy wykonanej z materiału podkładowego o strukturze właściwej dla procesu natryskiwania oraz zewnętrznej warstwy powłoki, która po przetopieniu jest szczelna i posiada dobrą odporność na zużycie erozyjne. Warstwa powłoki wykonana z materiału podkładowego, ze względu na swoją strukturę, obniża wartość naprężeń cieplnych powstających podczas zmian temperatury elementu wywołanych cyklami włączeń i wyłączeń oraz dobowymi zmianami obciążeń kotła. Warstwa zewnętrzna powłoki stanowi po przetopieniu rodzaj sztywnej tulei posiadającej lepsze własności mechaniczne od materiału podkładowego.A beneficial effect of the invention is the ability to produce coatings on difficult-to-access components. The resulting coatings are characterized by improved resistance to erosive wear caused by solid particles contained in exhaust gases. Furthermore, the resulting coatings are more tight and therefore more corrosion-resistant than coatings sprayed using the arc or gas-powder spraying methods without remelting. With proper parameter selection, remelted coatings using the induction or gas method consist of a layer made of a base material with a structure appropriate for the spraying process and an outer coating layer, which, after remelting, is tight and has good resistance to erosive wear. Due to its structure, the coating layer made of the base material reduces thermal stresses generated during changes in component temperature caused by on-off cycles and daily changes in boiler load. After remelting, the outer coating layer forms a rigid sleeve with better mechanical properties than the base material.

P r z y k ł a d 1. Powierzchnię odcinka rury ze stali 10H2M oczyszcza się i poddaje obróbce strumieniowo-ściernej węglikiem krzemu, a następnie natryskuje pistoletem gazowo-proszkowym typu UNI-SPRAY-JET materiałem podkładowym o składzie chemicznym Al=5%, Ni=95% do uzyskania grubości powłoki > 0,4 mm. Następnie natryskuje się następną warstwę powłoki proszkiem na bazie niklu o składzie chemicznym: B=2,83%; Cr=11,9%; Si=3,06%; Ni-reszta do uzyskania grubości warstwy > 0,5 mm. Następnie zewnętrzną warstwę powłoki przetapia się palnikiem typu UNI-SPRAY-JET. Podczas natryskiwania i przetapiania ciśnienie acetylenu wynosi 0,07 MPa a ciśnienie acetylenu wynosi 0,07 MPa a ciśnienie tlenu 0,3 MPa. Podczas natryskiwania odległość palnika od powierzchniExample 1. The surface of a 10H2M steel pipe section is cleaned and subjected to abrasive blasting with silicon carbide, and then sprayed with a UNI-SPRAY-JET gas-powder gun with a primer material of chemical composition Al = 5%, Ni = 95% until a coating thickness of > 0.4 mm is obtained. Then, the next coating layer is sprayed with a nickel-based powder of chemical composition: B = 2.83%; Cr = 11.9%; Si = 3.06%; Ni - the rest until a layer thickness of > 0.5 mm is obtained. Then, the outer layer of the coating is melted with a UNI-SPRAY-JET torch. During spraying and melting, the acetylene pressure is 0.07 MPa, and the acetylene pressure is 0.07 MPa and the oxygen pressure is 0.3 MPa. During spraying, the distance of the torch from the surface is

PL 196 925 B1 rury wynosi 200 mm, podczas przetapiania 150 mm. Otrzymana powłoką ma gładką powierzchnię, jest szczelna, pozbawiona wad.PL 196 925 B1 pipe is 200 mm, and during remelting 150 mm. The resulting coating has a smooth surface, is tight, and free from defects.

P r z y k ł a d 2. Powierzchnię odcinka rury ze stali 10H2M. oczyszcza się i nastę pnie natryskuje pistoletem gazowo-proszkowym typu UNI-SPRAY-JET materiałem podkładowym o składzie chemicznym Al=5%, Ni=95% do uzyskania grubości warstwy > 0,4 mm. Następnie natryskuje się następną warstwę powłoki proszkiem na bazie niklu o składzie chemicznym: B=3,58%; Cr=14,0%; Si=4,25%; Ni-reszta do uzyskania grubości warstwy >0,5 mm. Następnie zewnętrzną warstwę powłoki przetapia się wzbudnikiem generatora indukcyjnego o częstości 440 kHz o mocy maksymalnej 60 kW przy szybkości przesuwu wzbudnika równej 5 mm/s. Cewka wzbudnika otacza rurę na długości 60 mm w odległości 15 mm. Otrzymana powłoka ma gładką powierzchnię, jest szczelna. Powłoka charakteryzuje się wysoką odpornością na zażycie erozyjno-ścierne.Example 2. The surface of a 10H2M steel pipe section is cleaned and then sprayed with a UNI-SPRAY-JET gas-powder gun with a primer material with a chemical composition of Al = 5%, Ni = 95% to a layer thickness of > 0.4 mm. Then, the next coating layer is sprayed with a nickel-based powder with a chemical composition of: B = 3.58%; Cr = 14.0%; Si = 4.25%; Ni - the balance to a layer thickness of > 0.5 mm. Next, the outer layer of the coating is remelted with an induction generator with a frequency of 440 kHz and a maximum power of 60 kW at an inductor travel speed of 5 mm/s. The inductor coil surrounds the pipe over a length of 60 mm at a distance of 15 mm. The obtained coating has a smooth surface and is tight. The coating is characterized by high resistance to erosive and abrasive wear.

Claims

Patent claim

A method of producing coatings on pipes, especially heat exchangers, characterized in that the coating is applied to a non-dismantled heat exchanger pipe and the pipe surface is cleaned and blasted, and then the base layer is sprayed with a powder containing 5-20% Al, preferably 5 %, and Ni-rest until the thickness exceeds 0.4 mm, and then the coating is cold sprayed with NiCrBSi type powder containing 11-14% Cr to a layer thickness exceeding 0.5 mm, and then the coating is heated with a gas burner or an inductor to melt the outer shell layer.