重油冷卻器換熱管泄露原因分析及處理

鄧宏杰，馬寶社，鄧 濤，趙 淵

(武漢凱迪電力工程有限公司，湖北 武漢 430223)

國外某2×220 MW機組電廠采用重油進行鍋爐點火啟動和低負荷噴油助燃，為此電廠燃油系統設計有重油貯罐、供油泵、重油蒸汽加熱器和重油水冷卻器。根據重油輸送及燃燒器霧化需要，利用蒸汽加熱器將重油加熱到100～120℃，重油回油通過重油冷卻器將其從100～120℃降溫到50℃，然后回重油罐。重油冷卻器中重油走管程，冷卻水走殼程，冷卻水為淡水，來自電廠附近的河水經機械攪拌澄清池和空氣擦洗重力式濾池處理后用于重油冷油器冷卻水，冷卻回水返回電廠凝汽器用機力冷卻塔循環水池。油側工作壓力2.0 MPa,換熱管采用10#鋼φ25×2.5(mm)；水側工作壓力0.6 MPa。該重油冷卻器投運10個月后出現換熱管泄露，造成冷卻水中攜帶大量重油。

表1 冷卻水水質主要指標

表2 重油油質主要指標

1 換熱管內外表面宏觀腐蝕分析

圖1 可以看出換熱管外表面腐蝕嚴重，腐蝕產物主要呈黑色和深棕色，黑色部分主要是換熱管漏油后，油污附著在管道外壁所致，深棕色部分為主要的腐蝕產物層，較疏松，易脫落，表面呈凹凸不平潰瘍狀腐蝕形態。管道內表面主要腐蝕形態為黑色的重油油污油垢與鐵銹的混合物吸附。

圖1 換熱管表面宏觀腐蝕形貌

從圖2可以看出，除銹后的管束外表面呈凹凸不平面積大小不一的坑蝕，結合除銹前的腐蝕形貌來看，具有明顯的垢下腐蝕特征。除銹后的內表面沒有特別明顯的蝕坑，呈現比較均勻的腐蝕形態。

圖2 換熱管除銹后內外表面宏觀腐蝕形貌

2 換熱管內外表面微觀腐蝕分析

2.1 表面微觀腐蝕分析

圖3為換熱管外表面微觀形貌和EDS能譜分析結果。從圖3中可以看出：10#鋼換熱管外表面腐蝕產物層呈凹凸不平、疊層狀、顆粒狀，并且腐蝕產物疏松，易脫落。從圖3 EDS圖中看出，外表面的腐蝕產物中主要有C、Fe、O、Si、Ca和少量S元素。結合換熱管工作條件，根據EDS結果可以看出外表面主要腐蝕產物為FeO。由于外表面流通的主要介質為工業水，結合冷卻水水質條件，可以看出垢層主要由Si和Ca組成。

圖3 換熱管外表面微觀腐蝕形貌及EDS結果

圖4為換熱管內表面微觀形貌和EDS能譜分析結果。從圖中可以看出：10#鋼換熱管內表面腐蝕產物層較平整，但也有明顯的分層剝落現象。從圖4 EDS圖中看出，內表面的腐蝕產物中主要C、Fe、O、S和少量Ca元素。其中，C、O和Fe元素峰值較高。由于管內介質為重油，結合重油油質，可以看出碳元素主要是重油中有機碳帶來，形成碳化物。氧元素為鐵的氧化物或氫氧化物，硫元素主要是內表面形成的硫化物。

圖4 換熱管內表面微觀腐蝕形貌及EDS結果

2.2 截面微觀腐蝕分析

圖5為鋼換熱管外表面截面微觀形貌和EDS能譜分析結果。從外表面截面微觀形貌可以看出，腐蝕產物為層狀的、疏松、易脫落。腐蝕產物層為連續的，厚度高低不平，腐蝕產物膜厚度大約從100 μm到260 μm，平均值大約為180 μm。從表1所對應圖5(c)截面腐蝕產物EDS結果來看，與換熱管外表面腐蝕產物的EDS能譜分析結果一致。

圖5 換熱管外表面截面微觀腐蝕形貌

表3 圖5(c)對應的EDS線掃結果

圖6為換熱管內表面截面微觀形貌和EDS能譜分析結果。從內表面截面微觀形貌可以看出，整個腐蝕產物層比外表面截面腐蝕產物層致密，厚度較外表面截面腐蝕產物層均勻，這可能與管內介質重油油污吸附產生的腐蝕產物有關。腐蝕產物膜厚度大約為120 μm。說明外表面腐蝕產物膜厚度大于內表面。從表2所對應圖6(c)截面腐蝕產物EDS結果來看，10#鋼換熱管截面內表面腐蝕產物有Cl元素的出現，可能重油中Cl－已滲入到腐蝕產物膜深處。

圖6 換熱管內表面截面微觀腐蝕形貌

表4 圖6(c)對應的EDS線掃結果

3 電化學試驗分析

為了對比不同換熱管材質在重油冷卻器冷卻介質(水質詳見表1)條件下的耐腐蝕性能，分別取尺寸10×10 mm、工作面積1.0 cm2的10#鋼、TP304不銹鋼、TP316不銹鋼，在PAR2273電化學工作站進行，采用三電極體系進行試驗，試驗時長為7天，判定在相同介質條件中的耐腐蝕性，電化學試驗結果見表3。

表3 不同溫度介質電化學測試結果

從表3中可知：

(1) 10#鋼在工業水介質中隨溫度的升高，腐蝕加重，腐蝕速率升高。當介質溫度升到100℃時，腐蝕速率降低，這與介質溫度升的過高其中溶解氧含量降低過大有關。

(2) 10#鋼在工業水介質中加入高溫緩蝕劑后耐蝕性增強，腐蝕速率降低。

(3) TP304不銹鋼、TP316不銹鋼材質耐腐蝕性能明顯優于10#鋼，且TP316不銹鋼耐蝕性好于TP304不銹鋼。

4 原因分析

通過對10#鋼換熱管除銹前后宏觀形貌觀察可以看出：10#鋼換熱管外表面發生大面積的潰瘍狀腐蝕和坑蝕，內表面局部有明顯的蝕坑，但大面積呈現比較均勻的腐蝕形態。

通過對10#鋼換熱管微觀形貌觀察可以看出：從外表面截面微觀形貌可以看出，腐蝕產物為層狀的、疏松、易脫落。腐蝕產物層為連續的，厚度高低不平，腐蝕產物膜厚度大約從100 μm 到 260 μm，平均值大約為 180 μm。內表面截面腐蝕產物層比外表面截面腐蝕產物層致密，厚度較外表面均勻，腐蝕產物膜厚度大約為120 μm。因此，外表面腐蝕產物膜厚度大于內表面，外表面腐蝕較內表面嚴重。

從EDS對腐蝕產物成分分析結果來看，10#鋼換熱管外表面的腐蝕產物中主要有C、Fe、O、Si、Ca和少量S元素。結合運行條件，可以看出，外表面主要腐蝕產物為FeO等鐵的氧化物。外表面流通的主要介質為冷卻水(水質詳見表1)，腐蝕產物含有Si和Ca，因此會產生結垢，在高溫段這種傾向會更明顯，垢層下的腐蝕會加大局部腐蝕如點蝕的傾向，應是腐蝕穿孔的重要原因之一。內表面的腐蝕產物中主要C、Fe、O、S和少量Ca元素。其中，C、O和Fe元素峰值較高。由于管內介質為重油(油質詳見表2)，因此碳元素主要是重油中有機碳帶來，形成碳化物。氧元素為鐵的氧化物或氫氧化物，S和Cl元素主要是重油在內表面形成的硫化物和氯化物。同時也是影響內表面腐蝕的主要原因。而內外表面在某一處腐蝕的協同作用是造成10#鋼換熱管腐蝕穿孔的直接原因。

垢下腐蝕，由于受設備幾何形狀和腐蝕產物、沉積物的影響，使得介質在金屬表面的流動和介質的擴散受到限制，造成被阻塞的空腔內介質化學成分與整體介質有很大差別，空腔內介質pH值發生較大變化，形成阻塞電池腐蝕，尖端的電極電位降，造成電池腐蝕。根據換熱管除銹前的宏觀及微觀形貌來看，外表面存在一層垢層，剝離垢層后呈現明顯的凹凸不平的蝕坑，屬于垢下腐蝕現象。同時，冷卻水為未除氧工業水，在高溫的情況下垢下很容易產生溶解氧的積聚，產生垢下腐蝕。

電化學測量結果顯示：10#鋼換熱管在冷卻水介質中隨溫度的升高，腐蝕加重，腐蝕速率升高。測試結果顯示最大腐蝕速率為年腐蝕深度接近1 mm，這是測量的均勻腐蝕，如局部點蝕，其腐蝕速率將更大。

工業水介質中加入高溫緩蝕劑后10#鋼換熱管耐蝕性增強，腐蝕速率降低，緩蝕效率達97%。

從TP304和TP316不銹鋼在900C工業水介質中電化學試驗可以看出，TP316不銹鋼耐蝕性好于TP304不銹鋼。與10#鋼相比，TP316不銹鋼腐蝕速率下降了2個多數量級。

5 結論及建議

10#鋼換熱管腐蝕穿孔的主要原因是其在高溫段某一區間，如表面溫度80℃左右區域，在沒有除氧的水中腐蝕速率較高；另工業水中存在鈣元素，在高溫段易在表面結垢，產生垢下局部相對封閉的陽極區間，加大點蝕傾向，因此造成換熱管在較短時間內腐蝕穿孔泄露。

為了防止換熱管腐蝕穿孔泄露，可在工業水介質中添加高溫阻垢緩蝕劑，以阻止換熱管外表面結垢引起垢下腐蝕；建議換熱管采用耐腐蝕性能更好的材料，采用TP316不銹鋼。

[1]GB/T16545－1996，金屬和合金的腐蝕,腐蝕試樣上腐蝕產物的清除[S]．

[2]魏寶明．金屬腐蝕理論及應用[M]．化學工業出版社，2004．

[3]馬崇，陳韶瑜．熱網加熱器換熱管泄露原因分析及處理[J]．熱力發電，2012，(10)．