摘 要

能源产业是与我们生活息息相关的产业。在科学技术不断发展的今天,能源开发、使用回收问题受到了人们的广泛关注。而热管作为重要的导热元件，在各个领域中都取得了很大的成就。热管技术的开发与应用,已成为世界公认的节能重要措施。热管的主要零部件为管壳、端盖（封头）、吸液芯、腰板（连接密封件）四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。作为一个重要的传热工业元件，它的工作环境很可能在酸性环境中，其所要的面对的大部分是腐蚀方面的问题。在工业上多采用钝化技术来防止热管在应用中的腐蚀。本课题所做的就是研究出对于特定材料ND钢的热管的最佳钝化液配方。

研究最佳钝化液，选用肌醇六磷酸酯，俗称植酸，作为主要材料，与金属管表面进行化学反应生成致密的氧化膜，防止管壁金属表面与空气中的水氧气发生反应，腐蚀。钝化液的材料包括植酸，柠檬酸，硅酸钠和若丁。

钝化液的配置中需考虑到金属管的表面状况和管子的主要材料。为了模拟出刚完成除锈步骤的表面环境，我们选择对实验的管子进行简单的酸洗和打磨，让金属表面的活性达到预期。管体材料为ND钢，实验针对管子的成分配置适合的钝化液。

实验采用控制变量法，分别将植酸、柠檬酸、硅酸钠、若丁的浓度作为变量，进行四组对比实验，通过层层对比，得出对应ND钢的最佳钝化液配方。

在实验时应注意钝化前后管子的质量变化。通过显微镜观察钝化后管子表面氧化膜的致密程度以及分布的均匀程度。

最后，本实验还要考虑的是此配方的市场推广性，包括配置难度，成本价格，实行难度以及钝化膜在实际环境下的寿命。

关键词：ND钢 植酸 钝化 环

Study on Passivation of Insitol Phosphate in ND Steel Heat Pipe

Abstract

The energy industry is an industry that is closely related to our lives. With the continuous development of science and technology, the issue of energy development and use recovery has attracted widespread attention. As an important heat-conducting element, heat pipe has made great achievements in various fields. The development and application of heat pipe technology has become an internationally recognized important measure for energy conservation. The main components of the heat pipe are the shell, end cap (head), wick, and lumbar plate (connecting seal). Different types of heat pipes have different requirements for these components. As an important heat-transfer industrial component, its working environment is likely to be in an acidic environment, and most of its desired face is a corrosion problem. Passivation technology is widely used in industry to prevent corrosion of heat pipes in applications. What this subject has done is to study the optimal passivation solution formulation for the heat pipe of a specific material ND steel

The optimal passivation solution was studied. Inositol hexaphosphate, commonly known as phytic acid, was selected as the main material to chemically react with the surface of the metal tube to form a dense oxide film to prevent the metal surface of the tube from reacting with the oxygen in the air in the air. . The material of the passivation solution includes phytic acid, citric acid, sodium silicate and joule.

The configuration of the passivation solution must take into account the surface condition of the metal pipe and the main material of the pipe. In order to simulate the surface environment just completed the rust removal step, we chose to perform simple pickling and polishing of the experimental tube to allow the activity of the metal surface to be expected. The body material is ND steel, and the experiment is to configure a suitable passivation solution for the composition of the tube.

In the experiment, the control variable method was used to compare the concentrations of phytic acid, citric acid, sodium silicate, and trobutine as variables, and four groups of comparative experiments were carried out to obtain the optimal passivation solution formula for the corresponding ND steel through layer comparison.

During the experiment, the quality of the tube before and after passivation should be observed. The density of the oxide film on the surface of the pipe after passivation and the uniformity of the distribution were observed by a microscope.

Finally, this experiment also needs to consider the marketability of this formulation, including the configuration difficulty, the cost price, the difficulty of implementation and the lifetime of the passive film in the actual environment.

Keywords: ND steel；phytic acid；passivation；environmental protection

目录

第一章 绪论 4

1.1课题的背景 4

1.2课题的研究目的 5

1.3关于热管的钝化与钝化液 6

1.4实验 8

1.5课题的必要性和意义 9

第二章 ND钢肌醇六磷酸酯钝化实验设计 11

2.1实验设计要求 11

2.2钝化处理 11

2.3结果检验 12

2.4实验中需要考虑的问题 12

2.5图纸绘制中需要考虑的问题 12

第三章 实验过程及结果检验 13

3.1一水柠檬酸浓度与pH值 13

3.2缓蚀剂 13

3.3硅酸钠 13

3.4肌醇六磷酸酯 13

3.5实验对象 14

3.6实验步骤 14

第四章 实验结果及分析 21

第五章 总结 23

致谢 24

绪论

1.1课题的背景

随着技术的发展，能源消耗越来越严重，在能源紧缺的当代社会，如何无损耗趋近完美利用能源的技术得到了广泛关注。而具有数十年使用历史的热管逐渐显露在人们眼前。热管技术是1963年于美国被发明的，它的导热性质超过了已知的任何金属原件，在当时社会造成巨大轰动。热管主要是通过管内导热液的气液转换来达到热量的传递。如图1，导热液在热管内部蒸发段蒸发吸热变为气体，受压力差的影响经过绝热段流入冷凝段，在冷凝段气体液化放热变为液体，液体通过重力作用回流至蒸发段，如此循环往复，达到热量的传递，说白了热管的工作原理主要就是依靠管内液体状态变化所释放或吸收的热量。为达到较好的传递效果，热管内部应处于真空状态。在很多情况下，热管内部金属表面很难发生氧化，但是在高温高压的环境中金属内壁结构会被破坏，从而导致热管失去导热效果，暴露于空气中的热管外表面经常发生氧化反应也就是生锈，热管管体如果生锈，会造成许多问题，管体受到腐蚀管子强度将会降低，表面的铁锈也会影响其他元件的工作，长时间生锈，热管最终很可能报废。为了保护热管不受腐蚀，人们便将保护金属制品的钝化技术引入来保护热管，降低损耗。自热管出现以来热管表面的保护措施依旧是金属钝化技术：利用化学物质与热管金属表面发生氧化反应，生成一层均匀的致密的氧化膜，覆盖于金属表面起到隔绝空气的作用，防止热管生锈。金属钝化要求金属表面平整，无可剥离的覆盖物，所以往往钝化之前都要多一个酸洗除锈的步骤。配置酸洗液、钝化液则是酸洗除锈、金属钝化的核心步骤。自上世纪七十年代开始，南京工业大学就在国内最先开始了热管技术的研究和工业应用的推广，并取得了辉煌的成绩。率先研制成国内第一根水-碳钢热管，并开拓了冶金、石化、发电等行业的热管推广应用。至今，国内最先进的热管研究实验室也设立在南京工业大学。

图1 热管工作原理图

1.2课题的研究目的

热管是一种高性能的热量传递装置。在科学技术不断发展的今天,热管技术的应用也更加普遍,受到了人们的广泛关注,在各个领域中都取得了巨大的进步^[1]。热管技术的开发,已成为世界公认的节能的重点方法^[2]。热管的主要零部件为管壳、端盖（封头）、吸液芯、腰板（连接密封件）四部分^[3]。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。作为一个重要的传热工业元件，它的工作环境很可能充斥着酸性物质^[4]，其所要的面对的大部分是腐蚀方面的问题。在工业上多采用钝化技术来防止热管在应用中的腐蚀。

1.3关于热管的钝化与钝化液

1.3.1金属钝化

金属钝化的本质原因是形成平衡的电子层从而保护金属表面,并使表面的电子电离,从而减缓了金属离子水化过程的发生^[5]。工业常用热管主要金属发生钝化，使其表面氧化生成氧化膜，从而引起隔绝空气，降低金属腐蚀速率，有效的保证了工业热管的使用寿命^[6]。金属钝化的特征有^[7]：①金属的电极电位朝正值方向移动；②腐蚀现象减缓；③钝化只在金属表面生成钝化膜；④金属钝化以后，钝化状态能在很多外界环境中持续存在。目前工业上最常用的钝化方法便是使用金属钝化剂来进行金属的钝化。虽然钝化剂的使用可以有效地延长热管的使用寿命，但是传统钝化剂的有毒有害成分会破坏环境，对人体健康造成很大的危害。所以，传统钝化剂被逐渐禁止，新型钝化剂的研究正在进行当中。

1.3.2传统钝化方式及钝化剂

生产中最常用的两种钝化方式分别是铬酸盐钝化^[8]和酸洗钝化^[9]。铬酸盐钝化能够使金属表面生成致密的铬酸盐氧化膜隔绝空气以实现钝化处理^[10]，金属在含有能够活化的铬酸盐的物质的溶液中形成铬酸盐转化膜^[11]。而酸洗钝化是一种化学反应，可以去除钢铁表面生锈的物质。对不锈钢进行彻底的钝化处理，清除各类影响反应以及能够破坏钝化膜的物质，处理后表面变成均匀银白色，使不锈钢更难被腐蚀，适用于不同材质配比的不锈钢装置或元件。酸洗过程中必须添加缓蚀剂^[12]、抑雾剂，防止反应对象过度反应或者脆化损坏、抑制酸雾的产生。90年代至今所研制的酸洗缓蚀剂主要成分有咪唑啉类和含硫咪唑啉衍生物,如SM-硫脲缩合物、IS-129咪唑啉类铜的盐酸缓蚀剂、脱氢松香基咪唑啉类缓蚀剂^[13]、SH-707、IS-156、BH-2等。相比硫酸更多人选取盐酸洗代替^[14]。原有的热管钝化工艺采用的配方是在氧化性酸浓度下进行的，钝化膜形成后，必须对残留酸和反应物进行清洗，在清洗的过程中，清洗工具易对表面钝化膜造成损伤。再有残余酸及反应物不清洗干净带入热管内又将加剧热管不凝气产生引起失效。另外，含有重金属及残酸的钝化废液后续处理成本非常高，随意排放将严重污染环境^[15]。受限于《国家环境标志技术要求》，传统的钝化方式和钝化剂已被禁止使用。所以，新型的钝化方式和钝化剂必不可少。

1.3.3新型钝化方式和钝化剂

相比于传统钝化方式和钝化剂，新型钝化方式和钝化剂要解决的问题是研究出新型的高性能无铬钝化技术^[16]。例如现在工业多数使用的低浓度双氧水钝化液^[17],双氧水质量分数为0.5%、螯合剂X质量分数为0．15%、钝化液pH值为9．6、钝化温度为40℃、钝化时间为6h。该钝化工艺可大大提高碳钢整体耐腐蚀性能^[18]。还有肌醇六磷酸脂钝化液^[19]，又称植酸钝化液，植酸分子中含有能与金属配合的24个氧原子，12个烃基和6个磷酸基^[20]，这意味着他能够很好的和金属反应并改变金属表面状态达到钝化的目的。目前植酸多应用于金属表面保护^[21]。有文献^[22]分析认为，采用植酸形成的钝化膜更接近单分子吸附性膜。新型的钝化工艺应当满足多个要求，首先能钝化液在金属表面形成致密的氧化膜，此处金属并不特质碳钢，金属种类随热管材质而变，可能是20钢的钝化也可以是铜及其合金的钝化^[23]等等。其次满足国家环境要求，不能含有有毒有害物质，也不能释放出污染环境的物质，要达到绿色表面热处理^[24]，需要改进的不仅仅是钝化液，整个钝化工艺过程都要改变。

我们致力于研究整个工艺过程中关键的一步——钝化液的配方。配方的组成不仅仅靠口头表述，要有实验数据才具有说服力，因此我们需要通过实验来得出结论。

1.3.4 现有的新型钝化液尝试

为了打破传统钝化液禁用以后企业无法进行相关生产的窘迫，不少厂家也开始着手研制新型的钝化液，不少企业对热管内壁钝化工艺进行了系统的理论研究和实际生产的试验，充分利用与热管行业的老专家和高校从事热管研究的教授们多年建立的合作关系和对热管技术发展方向的高度契合，他们尝试了很多热管内壁钝化工艺的调整，包括对磷化工艺，亚硝酸盐类钝化液，高温蒸汽钝化法等等都进行了研究，并取得了初步的成果，但要进行深入研究还是缺乏专业技术人才和设备。市面上不少厂家宣称掌握了新型的钝化液的配方并且有偿提供热管钝化加工，但是配方内容却是秘而不宣。多数企业对此事并不赞同，所谓的新型钝化液要么是研发不完善的瑕疵品要么是背地里偷偷使用重铬酸钾钝化液明面上宣称新型钝化液。

1.3.5国内外钝化剂的发展

金属钝化剂国内外的应用还是存在差别的。国内使用的钝化剂主要是T551和T561。T551主要是针对金属铜的钝化剂，它能在铜的表面生成隔绝氧化的钝化膜从而延缓金属铜的腐蚀；T561适用于大多数金属，它的作用与T551相近，但是T561同时还能将油中的腐蚀性硫转化为硫化物，在另一个方向上减缓金属的腐蚀。国外使用的钝化剂从大方向上来看与国内相似，但细节方面存在区别，国外钝化剂的代表性的是Ciba公司的IR39。无论国内国外，目前使用的钝化剂大多为苯三唑和噻二唑的衍生物，二者分别向着减缓氧化反应和无毒无污染降低成本的方向发展。

1.4实验

1.4.1配方

传统一次钝化剂配方为铬酸 250-300g/L 200-250g/L，硫酸10-20ML/L、24-30ML/L、30-40ML/L、15-20ML/L温度30-40度室温。新型钝化液配方参照 刘仁辉《黄铜表面植酸钝化膜耐蚀性及其成膜机理》^[25]中的钝化液配方。根据新型钝化液对金属表面形成的氧化膜在酸性环境之下的腐蚀程度来判断合适的钝化液配比。

1.4.2实验方法

首先，确定钝化液配方中的主要化学成分，成分本身要满足国家对化学物质排放的要求，根据课题已经能够确定植酸为主要成分且植酸本身不是限制排放化学物质；其次，采用控制变量法，分组对不同浓度的化学成分与热管反应的结果进行分析，热管钝化结果可以通过直接接触金属表面，光学电子显微镜，条件满足下也可使用扫描电子显微镜在液晶屏上直接成像；最后，根据分析结果进行分类，得出特定钢材热管的最佳钝化液浓度配比配方，钢材内部的微量元素含量的不同将会在很大程度上影响配方成分，所以一种特定钢材的钝化液配方也是特定的。

该实验涉及到的化学药剂是由与我们合作的企业方通过正规渠道申请所得，所有涉及实验的化学药剂无毒，非易燃易爆，对人体无害，使用完毕满足国家化学药剂排放要求。

1.5课题的必要性和意义

按照传统的钝化液与钝化方式，热管的金属表面能够得到很好的保护，并且拥有很长的使用寿命在各方面都满足工业需求，但是传统钝化液中含有的六价铬离子是一种严重致癌物质且热管酸洗所采用的硫酸、盐酸、磷酸等强酸物质都是严重危害自然环境，完全不满足国家要求，所以在国家明文禁止此类物质使用的时候，热管的酸洗钝化技术落入了低谷，传统方法效果固然好却不满足国家要求，新式方法不成熟且无法公开，有的成本过大不适合工业生产，所以一种新型稳定廉价简易的钝化方式迫切需要。

金属钝化在工业上是必不可少的一部分，它使用广泛，价格低廉，使用效果好，注定是工业生产的基础。国家政策的出台使得现存的钝化技术基本无法使用，这就意味着有半数的工业生产企业将面临着瘫痪。试想，不使用金属钝化技术，金属就面临着氧化腐蚀，也就意味着金属制品的使用寿命大大缩短，对厂家而言解决金属使用寿命的方法有二，一是频繁更换金属部件，二是花大成本改善金属运行环境。前者是对资源的浪费，后者是对金钱的消耗，由此可见，钝化技术不仅仅关系着生产者的命脉，更是影响着使用者的切身利益。还有不少厂家冒着巨大的风险背地里偷偷使用重铬酸钾钝化液。不少企业不使用钝化技术，热管的使用效果和使用寿命大打折扣，使得那些购买热管的单位对整个热管行业产生巨大的怀疑，纷纷采用其他化热形式取代热管。近五年来，热管行业处于水深火热之中，不少厂家都纷纷倒闭。在传统钝化液被废除，新型钝化液没有成型的今天，研究出一种新型可靠有效的钝化液，哪怕只是针对特定成分的钢材，对工业生产者来说都是一个天大的喜讯，而对我们研究者来说，这不仅是对社会的贡献，这更是对我们研究的肯定，意味着我们的付出得到了切实的回报。

ND钢肌醇六磷酸酯钝化实验设计

2.1实验设计要求

本课题研究的项目是针对特定金属ND钢的钝化液配制，以植酸为主要成分，通过查阅资料文献，pH值固定在3-5，以柠檬酸调节pH，以硅酸钠为结合剂，添加若丁为缓蚀剂，常温情况下进行钝化液的配制。

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