換熱器管束防腐蝕技術進展

薛富津王 巍(.哈爾濱鑫納米科技發展有限公司，黑龍江 哈爾濱 50078 .大慶石化公司，黑龍江 大慶 637）

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換熱器管束防腐蝕技術進展

薛富津1王 巍2
(1.哈爾濱鑫納米科技發展有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078 2.大慶石化公司，黑龍江 大慶 163711）

摘 要：我國換熱設備在使用過程中存在較大的腐蝕，多年以來科技人員一直在研究解決換熱器的腐蝕問題。通過描述近幾十年來對換熱器管束所采用的不同的防腐蝕技術及效果進行的對比，找出了存在的問題。通過對鈦納米聚合物涂料在換熱器管束上的試驗及擴大應用，獲得了較大的效果，特別是解決了換熱器管束采用原有的防腐涂層不耐油氣腐蝕的問題，可以獲得較大的經濟效益。為解決換熱器腐蝕問題提供了很好的借鑒。

關鍵詞：換熱器腐蝕 早期防護方法 效果分析 鈦納米防腐涂層 效果

0 國內換熱器使用現狀

據不完全統計，現代大型生產裝置，特別是石油煉制、化工、化肥、化纖等成套生產工程中，各類換熱器時刻在履行熱能轉換和傳遞的功能。據統計，換熱器占整個設備投資的20～40%。如全國煉油廠就有122家，原油加工量為6.98億噸/年。按年處理原油為650萬噸/年的煉油廠可以采用高分子材料防腐的換熱器管束為200臺,這樣僅煉油廠就有20000臺以上的需求。石油煉制、化工、化肥等每年因腐蝕結垢報廢的換熱器多達上萬臺，僅石化行業就在2000臺以上。換熱器損壞不僅使維修更新作業頻繁，原材料和產品跑冒滴漏，有毒有害物資侵害人身安全、污染環境，而且其造成的裝置事故停車帶來驚人的停產損失。規模約為40萬噸乙烯廠、600萬噸煉油廠、30萬噸化肥廠停產一日損失高達數十萬到數百萬元。對于殼程溫度低于100℃的水冷器,運行6-10個月就會因結垢、污物使大部分列管堵塞，換熱失效。殼程溫度200℃的換熱器運行2-4個月，積垢就達1mm以上，使傳熱效率大大降低。

換熱設備是生產裝置的關鍵設備之一，多數材質為碳鋼，一般占全部換熱設備30%左右。日常大量的故障及事故搶修，約60%左右是由于冷換設備管束腐蝕泄漏所至[1]。嚴重影響了生產裝置的安全、穩定、滿負荷運行。另外，當冷卻水與溫度較高的介質換熱時（水多數走管程 ），水易結水垢，形成銹垢層，增加了熱阻，使換熱效率嚴重下降，滿足不了生產的需要。對于石油化工企業每年花在因腐蝕更換冷換設備管束的資金占整個大修更新的比例還是比較大的。所以說，合理選用冷換設備管束材料及控制方法，減少腐蝕，是我們科技人員一直關注的問題。

到目前為止, 石油化工、煤化工、化工等企業的碳鋼水冷器、冷凝器及部分換熱管束的腐蝕還沒有很好的解決。每年因腐蝕提前報廢很多，更換這些管束需要大量的資金。近些年雖然出現了一些防腐的方法，對管束的腐蝕有所緩解。但是在管束的腐蝕上還存在許多問題，制約著使用壽命。應該尋找一種新的防護方法，用來解決管束內外壁的金屬腐蝕問題，延長管束的使用壽命。還要提高防腐涂層的防結垢與防銹垢能力。避免因產生結垢層，增加熱阻，降低水冷器及冷凝器的換熱效率。如果這個問題能解決將為石油化工解決了一個大難題，市場的潛力是很大的。

1 換熱器的早期防腐蝕涂料

工業的高度發展，能源問題的困擾，使人們對換熱器倍加重視，從設計到應用，從改進到保養，許多技術專家都致力于降低成本及提高使用壽命的競爭。其中最令人關注的是換熱器的防腐蝕問題，因為換熱器不僅有介質腐蝕，還有熱腐蝕，甚至污垢腐蝕，如此復雜的腐蝕環境和條件，是許多其它設備難以遇到的。所以，換熱器的腐蝕十分嚴重，其防腐蝕也十分敏感，在某種意義上講，換熱器防腐技術高低往往是一個國家防腐科技水平的重要標志之一。

1.1 換熱器的早期防腐蝕涂料

20世紀60年代，現代化大型工業裝置增多，換熱器的重要性倍增。這時的換熱器包括水冷器、冷凝器、冷卻器、過冷器、油冷器、外冷器、急冷器、介質預熱器、冷凍蒸發器和空分冷卻器，形成龐大的家族，因而防腐蝕要求也不相同。

換熱器經受介質腐蝕，以及熱腐蝕和污垢腐蝕。早期采用酚醛防腐蝕涂料。六十年代推出“酚醛-環氧-有機硅三元樹脂混配體系”，使用超細云母，特別適合水冷器和其他換熱器的防腐蝕和阻垢。70年代以環氧及其改性樹脂涂料居主體。80年代出現了“7910涂料”、“CH784”、5454Ai-Mg合金管束[2]。90年代以“漆酚涂料”為代表防腐涂料還有“Ni-P電化學涂層”[3]，這些管束防腐的方法出現對管束的腐蝕有所緩解。但是在管束的腐蝕上還存在許多問題，制約著使用壽命。總之，我國在水冷器的防腐蝕阻垢方面，進行了大量研究工作，改進之途徑頗多，效果各有側重，大部分是針對耐水、耐沸水和蒸汽滲透的。這些方法在解決水冷器管束的水側腐蝕有較好的效果。但是在解決管束工業介質側的腐蝕問題還沒有很好的解決，存在較大的問題。另外，在解決管束的結垢問題沒有明顯的效果。應該尋找一種新的防護方法，用來解決管束內外壁的金屬腐蝕問題，延長管束的使用壽命。提高防腐涂層的防結垢與防銹垢能力。避免因產生結垢層，增加熱阻，降低水冷器及冷凝器換熱管束的換熱效率。

1.2 近期換熱器管束防腐措施使用情況

1.2.1 涂敷耐蝕涂料

涂敷耐蝕涂料不僅可以使換熱面具有抗沖刷、抗滲透、耐溫變等性能，而且還有隔離金屬表面與介質接觸和阻垢的作用，在一定程度上可以提高換熱器性能和壽命。用這種方法存在兩個問題：一是涂料性能問題。目前涂料普遍耐溫性能較差，每次檢修用高壓蒸氣吹掃時，涂層容易剝落破壞，所以一般只用于水冷器的防腐。盡管在換熱器涂敷耐蝕涂料方面已不斷取得一些成就，但是仍需要不斷完善和提高。低成本、無污染、高性能是涂料開發前進的目標;另外一定要注重換熱器結構形狀的合理設計。因為換熱器合理的結構對簡化涂料涂裝工藝、提高涂層質量能起到關鍵的作用。

1.2.2 電化學保護

碳鋼換熱器造價低、耐蝕性差，一般大型換熱器采用外加電流陰極保護，小型換熱器多用犧牲陽極的陰極保護[4]，可減緩換熱器的腐蝕。

電化學保護方法有陰極保護方法和陽極保護方法兩種。陰極保護是將金屬的電位向負調節，使金屬進入E-pH圖的不腐蝕區，從而降低或抑制陽極的腐蝕，可通過外加電流和犧牲陽極兩條途徑來實現。陽極保護指采用外電源將保護的具有鈍性的金屬電位向正方向移動(即進行陽極極化)，使其電位進入E―pH圖的鈍化區，從而抑制金屬腐蝕。陰極保護電流分布均勻與否是保護質量好壞的關鍵，必須是被保護件各處都達到完全保護電位，因此陽極的布局方式以及外加電流大小是陰極保護的關鍵。此外，采用陰極保護方法應注意以下兩點：①在酸性介質中的放氫腐蝕環境下，使用陰極保護耗電多，且容易引起氫脆;② 犧牲陽極的陰極保護作用僅限于換熱器管子入口處的有限長度內，管內深處目前還難以實現陰極保護。目前，一般小型海水換熱器多采用犧牲陽極的陰極保護，大型換熱器多采用外加電流陰極保護。

1.2.3 Ni-P化學鍍

對換熱器進行整體化學鍍，形成鎳磷鍍層，為陰極性鍍層，可起到機械隔離腐蝕介質作用。由于在防腐施工過程中防腐鍍層一般要求厚度在60μ m以上，實際鍍后的管束很難達到這樣的厚度。所以出現Ni-P鍍管束的產品使用壽命很短的現象。

1.2.4 滲鋁

將鋁元素滲入工作表面層，包括粉末法、氣相法和料漿法，可提高鋼鐵、非鐵金屬及合金的抗高溫氧化和燃氣腐蝕能力，對大氣、H2S、CO2、海水介質具有良好耐蝕性。以滲鋁為基礎的鋁鉻共滲、鋁硅共滲、鋁鉻硅共滲均有廣泛應用。該技術在換熱器應用上，由于管束與管板連接處的保護問題至今仍沒有很好解決，影響了滲鋁碳鋼換熱器的使用壽命。實踐生產中還發現，在有些情況下，由于外界因素的作用，會出現鋁的電位比鋼鐵電位高(即電位反轉)的情況，形成大陰極小陽極，反而加速換熱器的腐蝕，甚至引起換熱面穿孔失效。

1.2.5 滲鋅涂層

滲鋅涂層是最經濟最普遍的防腐蝕方法之一。滲鋅法溫度較低，約400～500℃，換熱器不容易變形，滲層均勻，不易剝落，作為陽級保護層，滲鋅層有更好的保護效果，可大幅度提高使用壽命。

但是，滲鋅與滲鋁的共同缺點是工藝溫度太高，滲時較長。而換熱器管、板厚度一般都很薄，容易造成軟化變形，影響換熱器性能。所以，防止換熱器高溫變形、縮短滲時、提高生產效率和滲層質量是滲鋅法應努力的目標。該種方法目前在國內還沒有真正使用起來。

2 換熱器多功能涂料的崛起

到目前為止，國內外對換熱器表面防腐處理的技術主要有：涂敷耐蝕涂料； 電化學保護； 添加緩蝕劑；滲、鍍耐蝕層；綜合技術方法等5種方法。

目前換熱器防腐的主要手段多為防腐涂料的研發方向，有機涂層是換熱器防腐蝕的主要手段之一，其研發方向將圍繞著高性能、低成本、節能環保、高效能等方面而創新，可選擇幾個研發方向：水性環保型換熱器防腐涂料、功能性材料在換熱器防腐涂料中應用、高效涂裝換熱器防腐涂料、高性能常溫固化節能型換熱器防腐涂料等。

2.1 節能防腐換熱器管束防腐涂層的研發[5]

開發換熱器常溫固化、耐熱、導熱效率高的防腐涂層是發展方向，鈦納米聚合物涂料是我國急需的換熱器理想的防腐涂料。目前使用的環氧氨基、漆酚等涂料均需在120℃或以上固化，并需多道涂裝，這樣施工成本較高同時施工周期長。就其防腐施工周期較長。開發可常溫固化，而且施工方便的涂料，是至今尚未完全解決的問題。其關鍵是要在涂料的防腐性能、傳熱性能和可施工性三者之間求得最佳平衡點。而鈦納米聚合物涂料卻在這三者之間有較好的平衡點。

因為換熱設備的管束腐蝕給企業每年都造成較大的資金的投入并且管束的結垢、結繡對換熱效率有很大的影響。就目前而言沒有較好的方法來解決這一問題。這樣就聯想到能否把鈦納米涂料使用到換熱器管束防腐上。在2004年初采用常減壓初頂汽油在反應釜采用鈦納米聚合物涂料掛片進行了試驗，其結果認為作為油汽冷卻管束的防腐涂層是可行的。

鈦納米聚合物涂料就是將鈦超細化達到納米級，使其表面活性大大提高。同時將有機物雙鍵打開，形成游離鍵，兩者復合到一起產生化學吸附和化學鍵合，生成鈦納米聚合物，進而生產出鈦納米聚合物涂料[6]。該涂料涂層為：① 抗滲透性強；② 抗腐蝕性高；③抗垢性好；④導熱性好；⑤耐溫性好；⑥耐磨性能好；⑦ 抗空蝕性能好；⑧ 耐水性好。

2.2 使用情況

從2004 ～ 2012年近10年，共計采用節能防腐鈦納米涂層的管束114臺，（具體見附件）約合施工面積35000m2。通過使用延長了換熱設備使用壽命及提高換熱效率。通過這么多年的應用，總體看換熱管束防腐涂層達到預期目的。例如煉油廠常減壓的2臺初頂冷凝器，管束規格為Ф1100×6000，使用8年經過3次大檢修，07年只抽出一臺。具體如圖1-10所示。

圖9與圖10是新涂裝完的管束與一套常減壓初頂冷凝器管束使用3年的情況對比，從圖中可以看出兩者相差不大，只是表面顏色有差異。

在2012年檢修，換熱器管束經過近3年的使用，管束內外壁采用“節能防腐鈦納米涂層換熱管束”的都沒有抽管束清洗。具體如圖11～14所示。

圖1 一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查（沒有進行清掃）管板使用情況

圖2 一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查管束（沒有進行清掃）外壁使用情況

圖3 2009年一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查(沒有進行清掃)管束外壁使用情況（使用5年）

從圖1～14可以看出，設備打開時沒有進行清掃的原始狀態。從表面可以看出涂層表面沒有結水垢及銹垢。所以沒有進行抽管清掃。

圖4 2009年一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查管束(沒有進行清掃)管板使用情況（使用5年）

圖5 2012年5月一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查（沒有進行清掃）管束外壁使用情況（使用8年）

圖6 2012年5月一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查管束（沒有進行清掃）管板使用情（使用8年）

3 結論[1]

鈦納米管束在油汽冷卻器上應用，經過近8年的使用取得了良好的效果和明顯的經濟效益，特點為：

圖7 2012年5月一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查（沒有進行清掃）管束外壁局部情況（使用8年）

圖8 2012年5月一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查管束（沒有進行清掃）管板局部情況（使用8年）

圖9 新涂裝完的管束

圖10 一套常減壓初頂冷凝器設備打開檢查管(沒有進行清掃)外壁使用情況（使用3年）

（1）鈦納米管束抗垢性好。管內外表面光潔度高,相對提高了近管壁流層速度，從而減少了管內外垢層的沉積，抗銹垢性能好；

圖11 煉油廠重油催化汽油冷卻器（E309）檢修打開時情況（水箱側管板）

圖12 煉油廠重油催化汽油冷卻器（E309）檢修打開時情況（小浮頭側）

圖13 重油催化瓦斯冷卻器（E812），煉油廠重檢修打開時情況（水箱側管板）

圖14 重油催化瓦斯冷卻器（E812），煉油廠重檢修 打開時情況（水箱側管板局部）

（2）節能性好。它具有吸熱和導熱雙重功能，其導熱系數位于金屬范圍。從傳熱系數對比和節能計算看出，鈦納米管束比不防腐的管束、7910涂層管束傳熱效果好，

熱效率高，是一種節能的換熱管束。采用鈦納米管束比管束不防腐綜合傳熱系數提高 66.54 %，比7910管束傳熱系數提高49.97%。應用鈦納米管束可以獲得上千萬元（24臺、9年）的經濟效益。（每年單位面積可以獲經濟效益465.7元/m2· a）；

（3）鈦納米管束檢修方便節約費用。可以經過3個周期檢修時，不用抽管束，做到免維護；

（4）耐腐蝕性好。解決了我國現在在用的換熱器管束防腐不耐油汽腐蝕的問題。最長使用近8年管內外無腐蝕，目前仍在繼續使用；

（5）實現了常溫固化。鈦納米管束的防腐涂層的施工為常溫固化，解決了我國管束防腐涂層需高溫固化的施工工藝，降低了施工成本。

綜上所述，鈦納米聚合物防腐涂層解決了油汽對碳鋼管束的腐蝕，延長了設備的使用壽命。“節能防腐蝕鈦納米涂層換熱管束的研制”這項技術在2008年12月順利通過了由“中國化工集團公司“組織的，由“中國工業防腐蝕技術協會”主持的科技成果鑒定。結論為“鈦納米涂層技術的成功應用，使換熱設備管束防腐性能及使用壽命達到國內領先水平”。所以說，鈦納米管束的應用，不但提高了換熱器管束的使用壽命，同時又是一種節能的換熱設備。

參考資料

[1]王巍.煉油廠冷卻器的腐蝕與對策[J」.石油化工設備技術, 2000(6): 25-27.

[2] 王巍.5454鋁鎂合金管材在我廠冷換設備上的應用[J」.石油化工設備, 1990(6): 44-46..

[3] 王巍.Ni-P化學鍍層在糠醛換熱器上的應用[J」.石油化工腐蝕與防護, 1997(1): 35-37.

[4] 王巍.陰極保護在水冷器上的應用[J」.石油化工設計,2010(3): 31-33+36+5..

[5] 王巍.節能防腐鈦納米涂層管束應用與涂裝[J」.電鍍與涂飾,2009(11): 54-58.

[6] 薛俊峰.材料耐蝕性和適用性手冊-鈦納米聚合物制備和應用[M].北京: 知識產權出版社, 2001: 429-430.

[7] 薛富津.王巍.高洪貴.節能防腐蝕鈦納米涂層換熱管束的研制與應用[J」中國工業防腐蝕技術協會，2009:283-290.。

中圖分類號：TQ050

文獻標識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.007.05

作者簡介：趙槊（1975-），男，河北省秦皇島人、工程師，本科，研究方向：海洋結構物檢測、維護及完整性管理。

Review of the Anti-Corrosion on the Pipe Bundle of Heat Exchanger

XUE Fu-jin1, WANG Wei2
(1.Harbin Xinke Nano Science & Technology Develop Company, Harbin 150078, China; 2.Daqing petrochemical Company, Daqing 163711, China)

Abstract：The serious corrosion problem in the heat exchanger always gives researchers and engineers troubles.In this paper, first, we review different anti- corrosion technologies for the recent few decades.The results of these technologies are compared and problems are found in the comparison.The problems can be solved by applying the ti-nano material.Specifically, this material has a good feature on oil and gas endurance.The ti-nano material is a cost efficient choice to solve the anti-corrosion problem on heat exchanger.

Keywords:corrosion on heat exchanger; early pervation method; effect analysis; ti-nano coating