陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器原理及常見(jiàn)故障的解決方法

陸 珊，馬志堅(jiān)，賀桃香

(中國(guó)鹽業(yè)總公司湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 株洲412004)

陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器原理及常見(jiàn)故障的解決方法

陸 珊，馬志堅(jiān)，賀桃香

(中國(guó)鹽業(yè)總公司湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 株洲412004)

介紹了陽(yáng)極保護(hù)管殼式不銹鋼濃硫酸冷卻器原理，分析了常見(jiàn)故障產(chǎn)生的原因并提出解決辦法。

陽(yáng)極保護(hù)；濃硫酸；冷卻器；故障；解決方法

用于各類制酸裝置的干吸工段濃硫酸冷卻的陽(yáng)極保護(hù)管殼式不銹鋼濃硫酸冷卻器(以下簡(jiǎn)稱酸冷器)是20世紀(jì)80年代初期首先由國(guó)外引進(jìn)的，國(guó)外主要供應(yīng)商有加拿大的凱米克公司和美國(guó)的孟山都公司。國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠家于20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始試制酸冷器，80年代中期開(kāi)始在各類制酸裝置中采用。該設(shè)備的應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)硫酸行業(yè)的技術(shù)發(fā)展起到了積極的作用，成為鑄鐵排管的替代產(chǎn)品。由于其使用壽命長(zhǎng)、占地面積小、熱效率高、無(wú)污染、日常維護(hù)費(fèi)用低、節(jié)水效果明顯等優(yōu)點(diǎn)已成為濃硫酸冷卻的首選產(chǎn)品。目前，隨著該設(shè)備的大規(guī)模使用，國(guó)內(nèi)供貨商在酸冷器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已越來(lái)越成熟，用戶在使用中也積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)產(chǎn)酸冷器最長(zhǎng)使用時(shí)間已超過(guò) 10年。但有些設(shè)備未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就損壞了，其原因有很多，主要是國(guó)內(nèi)供貨商在技術(shù)上的某些差異以及有些使用廠家對(duì)酸冷器的使用方法掌握不夠。酸冷器在使用中有故障發(fā)生時(shí)，如能及時(shí)正確的處理可以很快恢復(fù)使用，處理不當(dāng)會(huì)影響正常生產(chǎn)甚至使設(shè)備報(bào)廢。筆者根據(jù)多年從事酸冷器工作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)酸冷器本體常見(jiàn)故障的解決方法與同行進(jìn)行探討。

1 金屬陽(yáng)極保護(hù)原理

當(dāng)某種金屬浸入電解質(zhì)溶液時(shí)，金屬表面與溶液之間就會(huì)建立起一個(gè)電位，腐蝕電化學(xué)中把這個(gè)電位稱為自然腐蝕電位。不同的金屬在一定溶液中的電位是不一樣的。而同一種金屬的電位由于其各部分之間存在著電化學(xué)中不均一性而造成不同的部位間產(chǎn)生一定電位差值，正是這種電位差值導(dǎo)致了金屬在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)腐蝕。

向浸在電解質(zhì)溶液中的金屬施加直流電，金屬的自然腐蝕電位會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象稱為極化。所通電流為正電流時(shí)，金屬作為陽(yáng)極其電位向正方向變化的過(guò)程稱作陽(yáng)極極化；反之，通過(guò)的電流為負(fù)電流時(shí)，金屬作為陽(yáng)極其電位向負(fù)方向變化的過(guò)程稱為陰極極化。把電位與電流密度之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系畫(huà)成曲線叫做極化曲線。具有鈍性傾向的金屬在進(jìn)行陽(yáng)極極化時(shí)，如果電流達(dá)到足夠的數(shù)值，在金屬表面上能夠生成一層具有很高耐蝕性能的鈍化膜而使電流減少，金屬表面呈鈍態(tài)。繼續(xù)施較小的電流就可以維持這種鈍化狀態(tài)，鈍態(tài)金屬表面溶解量很小從而防止了金屬的腐蝕，這就是陽(yáng)極保護(hù)的基本原理。圖1為典型的鈍性金屬陽(yáng)極保護(hù)曲線，曲線中表現(xiàn)出4個(gè)特性區(qū)域。

圖1 金屬陽(yáng)極保護(hù)曲線

a. 活化區(qū)(曲線中AB段)

施加陽(yáng)極電流時(shí)，金屬表面發(fā)生如下反應(yīng)：Fe→Fe2++2e，此區(qū)處于活性溶解狀態(tài)，且電位越正，電流密度越大，電流密度的大小反應(yīng)出腐蝕的快慢。當(dāng)電流密度超過(guò)峰值點(diǎn)后，電流急劇下降，這個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)稱為致鈍電流密度，對(duì)應(yīng)的電位稱為致鈍電位。

b. 活化——鈍化區(qū)(BC段)

金屬處于由活化狀態(tài)向鈍化狀態(tài)的突變過(guò)程中，金屬開(kāi)始鈍化，電流急劇下降，在金屬表面可能生成二價(jià)到三價(jià)的不穩(wěn)定氧化物。

c. 穩(wěn)定鈍化區(qū)(CD段)

不銹鋼中金屬元素發(fā)生氧化反應(yīng)，生成高價(jià)氧化物(膜)，這種氧化物溶解量很小，即腐蝕速率很低，這正是陽(yáng)極保護(hù)所需要的電位控制區(qū)，對(duì)應(yīng)的電流密度稱為維鈍電流密度。

d. 過(guò)鈍化區(qū)(DF段)

當(dāng)電位高于穩(wěn)定鈍化區(qū)，電流又出現(xiàn)增大現(xiàn)象，鈍化膜轉(zhuǎn)化成可溶性的氧化物而遭受破壞，金屬腐蝕重新加劇，這區(qū)域稱為過(guò)鈍化保護(hù)區(qū)。陽(yáng)極保護(hù)酸冷器的工作原理是把與硫酸接觸的全部表面作為陽(yáng)極，另外設(shè)置一根或幾根陰極，形成電流回路。向冷卻器施加一定的電流，使其產(chǎn)生陽(yáng)極極化，通過(guò)致鈍電位，然后進(jìn)入穩(wěn)定鈍化區(qū)并維持其電位在這個(gè)區(qū)域，依靠在鈍化區(qū)新形成的鈍化膜降低冷卻器在硫酸中的腐蝕。

3 陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器的基本情況

由陽(yáng)極保護(hù)原理可知，能夠鈍化的金屬在某些電解質(zhì)溶液中，如果通以一定的陽(yáng)極電流，就會(huì)發(fā)生陽(yáng)極極化，使電位往正方移動(dòng)，當(dāng)陽(yáng)極電流達(dá)到足夠的數(shù)值時(shí)，則在金屬的表面上能夠生成一層具有很高耐蝕性能的鈍化膜，金屬即由活態(tài)轉(zhuǎn)為鈍態(tài)。如果繼續(xù)給予較小的電流密度，就能維持這一鈍態(tài)，從而防止了金屬的腐蝕。陽(yáng)極保護(hù)管殼式不銹鋼濃硫酸冷卻器就是基于以上基本原理設(shè)計(jì)制造的。酸冷器由控制儀器——恒電位儀和管殼式換熱器本體構(gòu)成。

國(guó)內(nèi)目前使用的酸冷器都采用酸走殼程水走管程的固定管板式結(jié)構(gòu)，換熱管通過(guò)折流板固定。

換熱管的材質(zhì)為316L，殼體、管板、折流板的材質(zhì)各供應(yīng)商采用的有所不同，有304、304L、316L等。水箱部分根據(jù)各廠工藝條件設(shè)計(jì)為單管程或雙管程。換熱管尺寸有幾種規(guī)格：Φ19.05×1.65、Φ19.05×1.5、Φ16×1.5，換熱管在管板上一般按正三角形排列。

4 陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器常見(jiàn)故障

根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器的故障主要有2類：一是換熱管內(nèi)壁結(jié)垢或雜物堵塞；二是酸冷器泄漏。

5 陽(yáng)極保護(hù)管殼式濃硫酸冷卻器故障的判斷及解決方法

5.1 換熱管內(nèi)壁結(jié)垢或雜物堵塞問(wèn)題

當(dāng)酸冷器運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)換熱效率下降，酸冷器出口酸溫明顯提高， 冷卻水流動(dòng)不暢等現(xiàn)象時(shí)說(shuō)明酸冷器內(nèi)已有結(jié)垢，如果不及時(shí)處理，結(jié)垢和堵塞會(huì)逐漸加重，使換熱管內(nèi)的流道不斷縮小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分或全部換熱管被堅(jiān)硬的垢層堵死。結(jié)垢對(duì)酸冷器的安全運(yùn)行、使用壽命影響很大，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使換熱器的管壁溫度上升，殼程所需的陽(yáng)極保護(hù)電流加大，加快主陰極的消耗，陰極壽命縮短；另一方面，有可能在管內(nèi)發(fā)生垢下腐蝕，在垢下水中的Cl-不斷濃縮，而Cl-對(duì)不銹鋼的危害是致命的，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生由管內(nèi)表面腐蝕穿孔而使酸冷器發(fā)生泄露。

要正確及時(shí)處理就必須了解其產(chǎn)生的原因，對(duì)癥下藥。

⑴酸冷器的結(jié)垢

結(jié)垢是指在不銹鋼管內(nèi)表面與不清潔流體相接觸而逐漸積聚起來(lái)的固態(tài)物質(zhì)。根據(jù)污垢層沉積的機(jī)理，污垢可分為顆粒污垢、結(jié)晶污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、腐蝕污垢、生物污垢和凝固污垢。酸冷器的結(jié)垢主要有結(jié)晶污垢和生物污垢，結(jié)晶結(jié)垢在管內(nèi)會(huì)形成的有碳酸垢、硫酸垢和二氧化硅結(jié)垢層；生物污垢指微生物污垢，會(huì)產(chǎn)生粘泥，粘泥又為生物污垢的繁殖提供了條件，在適宜的溫度條件下，生物污垢會(huì)生成一定厚度的污垢層。由于管壁溫度偏高、水中鈣鎂離子濃度偏高及管內(nèi)水流速度偏低時(shí)，水垢就會(huì)形成。

⑵ 水垢的清除方法

水垢的清除有兩種方法，即物理方法和化學(xué)方法，國(guó)內(nèi)目前的物理清洗主要用高壓水沖洗，但由于其需要專用設(shè)備，清洗費(fèi)用較高，不太適合硫酸廠使用。但如有15d停車(chē)檢修的機(jī)會(huì),往往采用小型高壓清洗機(jī)進(jìn)行沖洗。化學(xué)的方法主要有不停車(chē)清洗和停車(chē)化學(xué)清洗兩種。專用的“運(yùn)行阻垢除垢劑”能在不停車(chē)下有效清除水垢并阻止水垢的形成。停車(chē)檢修時(shí)可采用酸洗的方法清除水垢，對(duì)于酸冷器宜采用硝酸酸洗技術(shù)。由于酸冷器采用不銹鋼材質(zhì)，Cl-會(huì)在奧氏體不銹鋼表面產(chǎn)生孔蝕，因此嚴(yán)格禁止用 HCl清洗；H2SO4會(huì)與水中的 Ca2+、Mg2+形成極難溶解的CaSO4和MgSO4，也不推薦采用硫酸清洗。硝酸清洗原料易得，專用的酸洗緩蝕劑技術(shù)成熟，費(fèi)用不高。對(duì)于結(jié)垢較薄的垢層可通過(guò)清洗液循環(huán)的方法在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)清除管內(nèi)的水垢；管內(nèi)壁結(jié)垢如超過(guò) 1mm時(shí)屬重度結(jié)垢，可以采用浸泡加循環(huán)復(fù)合清洗技術(shù),清洗的時(shí)間也需相應(yīng)加長(zhǎng)。

⑶ 藻類堵塞的處理

藻類堵塞換熱管一般發(fā)生在南方地區(qū)，尤其在夏季氣溫高時(shí)，經(jīng)玻璃鋼冷卻塔冷卻的循環(huán)水溫高于30℃時(shí)，適合各種藻類繁殖。在水池內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)綠色黏附物，有時(shí)它的繁殖速度很快，如果不及時(shí)處理，藻類會(huì)黏附在換熱器的水箱，使流道冷卻水量變小，降低酸冷器的換熱效率。目前已有酸冷器專用的“殺菌滅藻劑”，可以在幾天內(nèi)很快清除各種藻類，成本低廉。

⑷ 冷卻水的處理

有的制酸裝置的冷卻水采用直排的江河水，隨著季節(jié)的變化，水中的固體懸浮物有時(shí)會(huì)堵塞換熱管，理想的處理方法有：一是在進(jìn)水口加裝簡(jiǎn)易的過(guò)濾裝置，二是在水進(jìn)入酸冷器前先經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易水槽沉淀后再進(jìn)入酸冷器。

5.2 酸冷器泄漏問(wèn)題

酸冷器泄漏主要原因有:

⑴原材料的冶金缺陷：如換熱管有細(xì)微夾渣、微裂紋、焊管焊縫不合格等，因此原材料的選用、檢驗(yàn)顯得特別重要。帶有冶金缺陷的酸冷器在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)在這些薄弱處出現(xiàn)問(wèn)題。

⑵酸冷器制造缺陷：如換熱管與管板的焊接時(shí)焊縫“咬肉”、有夾渣，在檢驗(yàn)時(shí)又沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或處理不規(guī)范等都會(huì)引起泄漏。

⑶操作條件與設(shè)計(jì)參數(shù)不符：如循環(huán)酸量增大使酸側(cè)流速超過(guò)1.2m/s時(shí)，鈍化膜很難維持，換熱管腐蝕速率將成倍增加，設(shè)備容易損壞。

⑷工藝條件變化后沒(méi)有及時(shí)調(diào)整操作參數(shù)，如酸溫超過(guò)設(shè)計(jì)值、冷卻水進(jìn)酸冷器溫度偏高等。

⑸裝置開(kāi)、停車(chē)未按操作規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，如高溫硫酸直接進(jìn)入未經(jīng)預(yù)鈍化的酸冷器，運(yùn)行時(shí)冷卻水未開(kāi)等原因都會(huì)使設(shè)備縮短壽命甚至損壞。

5.3 酸冷器泄漏的檢查和修復(fù)

酸冷器泄漏比較容易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)酸側(cè)壓力大于水側(cè)壓力時(shí)(一般使用現(xiàn)場(chǎng)為泵后流程)，硫酸用pH試紙就可檢查，日常操作中應(yīng)定期進(jìn)行水側(cè)pH值的測(cè)試，尤其在剛開(kāi)車(chē)期間可安排每班測(cè)試，當(dāng)水側(cè)壓力大于酸側(cè)壓力時(shí)(一般使用現(xiàn)場(chǎng)為泵前流程)，冷卻水會(huì)由泄漏處進(jìn)入硫酸中，泄漏點(diǎn)大時(shí)硫酸溫度會(huì)明顯升高、酸濃下降。此時(shí)由于泄漏處的管表面始終處于活化狀態(tài)，需要大電流來(lái)極化。

酸冷器泄漏的修復(fù)方法與普通的管殼式換熱器方式基本相同，一般應(yīng)急的維修方法是從兩側(cè)管板處堵管。堵管的操作應(yīng)首先放空酸冷器中的硫酸，再用大量的清水沖洗管板，焊接處不能有殘余酸，堵管的材料應(yīng)采用 316L的堵頭，焊條采用316L。泄漏管四周附近的換熱管也應(yīng)堵焊一部分，焊接完成后，開(kāi)啟酸泵使酸循環(huán)觀察焊接處是否有滲漏，如有滲漏，應(yīng)重復(fù)以上的操作程序，直至全部消除泄漏。一般的酸冷器均有10%左右的設(shè)計(jì)富裕量，堵管較少的設(shè)備換熱面積損失不大，現(xiàn)場(chǎng)使用不會(huì)產(chǎn)生大的影響。對(duì)于堵管較多的酸冷器建議在大修期送到原供貨商處進(jìn)行必要的檢測(cè)和換管處理。

6 總結(jié)

陽(yáng)極保護(hù)酸冷器作為目前常用的硫酸冷卻設(shè)備，具有其他硫酸冷卻設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，操作彈性大，只要了解其特點(diǎn)，注意在日常的操作中嚴(yán)格按操作規(guī)程操作，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，是完全可以避免故障發(fā)生的。如果出現(xiàn)故障后處理及時(shí)、方法得當(dāng)就可以很快恢復(fù)生產(chǎn)，將損失降到最低。

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Anodic Protected Shell-and-concentrated Sulfuric Acid Coolers Principle and Common Faults Solution

LU Shan, MA Zhi-jian, HE Tao-xiang
(China Salt Industry Corporation, Hunan Zhuzhou Chemical Industry Group Co., Ltd., Zhuzhou 412004，China)

TQ 051.5

B

1671-9905(2010)09-0048-04

陸珊，女，高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于中南大學(xué)材料系，現(xiàn)任中國(guó)鹽業(yè)總公司株洲化工集團(tuán)設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)，聯(lián)系方式lushan_1@163.com，Tel：13973322800

2010-04-23