氯化鋁工業中換熱管的腐蝕研究

阮英浩，姜　楠

(1 西安石油大學機械工程學院，陜西　西安　710065；2 中國石油長慶石化分公司，陜西　咸陽　712000)

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氯化鋁工業中換熱管的腐蝕研究

阮英浩1，姜楠2

(1 西安石油大學機械工程學院，陜西西安710065；2 中國石油長慶石化分公司，陜西咸陽712000)

換熱器是氯化鋁工業中的重要設備，其腐蝕情況制約著氯化鋁工業的發展。根據某氯化鋁生產線上換熱器的管程工況，分析影響換熱管腐蝕的因素，確定主要影響因素為溫度、pH值、六水氯化鋁濃度。采用電化學測試技術研究三種因素的影響。結果表明：在試驗范圍內，TA10合金未發生明顯腐蝕，通過極差分析，確定溫度和pH值是影響噪聲電阻的主要因素：溫度的升高使噪聲電阻增大。當溫度為90 ℃，pH值為2時，TA10合金的噪聲電阻最大。

換熱管；腐蝕；影響因素；電化學測試

粉煤灰制備六水氯化鋁使用的是鹽酸酸法[1]。該法導致原料液不僅具有強酸性，而且還含有高濃度的氯離子，因而裝置腐蝕嚴重。換熱器作為生產氯化鋁的基本裝置，加之生產中工藝條件浮動、腐蝕影響因素多，導致換熱器腐蝕嚴重。因此，通過試驗來解釋多因素作用下換熱器的耐蝕性，對粉煤灰制備氯化鋁系統的腐蝕防護具有重要意義。

1　主要腐蝕影響因素分析

對某化工廠的一臺TA10合金材質的固定管板式換熱器進行現場調研：管程進口溫度低于70 ℃，壓力為負壓，pH值約為1.5，介質為水、氯化鋁、鹽酸及微量氯化鐵；殼程進口蒸汽溫度低于110 ℃，壓力為常壓，介質為水蒸氣、鹽酸蒸氣。(1)管程介質的pH值低，致使介質中氫離子濃度大，酸性環境為腐蝕提供了條件；(2)管程介質中氯離子含量較高，氯離子容易使材料發生局部腐蝕，嚴重威脅到設備的耐蝕能力[2]。經分析得出溫度、pH值、六水氯化鋁濃度是影響換熱器腐蝕的三種主要因素。

2　實　驗

2.1正交試驗方案設計

根據正交試驗設計方法[3]，對主要影響換熱器腐蝕的三種因素進行試驗設計。分別記作A為溫度、B為pH值、C為氯化鋁濃度，每個因素取三個水平，正交表頭設計見表1。

表1　正交表頭設計

本次試驗有3個3水平因素，不考慮交互作用，選用L9(33)，正交因素水平如表2所示。

表2　正交試驗表

2.2化學試劑材料和儀器

主要試劑：六水氯化鋁(分析純)、鹽酸(分析純)、蒸餾水。材料：TA10合金。

主要試驗儀器：普林斯頓2273工作站，美國阿美特克公司；SY21型電熱恒溫水浴鍋，余姚工業儀表廠；雷磁25-S型酸度計，上海創新科技公司。

2.3試驗測試方法

采用電化學試驗的方法研究TA10合金在管程工況下的腐蝕。電化學測量儀器采用普林斯頓2273工作站，測量選用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。工作電極一面焊接引出導線，一面留出1 cm2的表面積進行研究，其余用環氧樹脂密封。將研究面依次用400-1200目砂紙打磨，用丙酮擦拭除油，無水乙醇除水后，置于干燥器中待用。試驗溶液按照正交試驗表確定進行配制。在每一種模擬介質中，對制取的研究電極進行電化學噪聲測試。

3　結果與討論

在不考慮溶解氧的情況下，進行電位、電流噪聲曲線的測量。采樣頻率為2 Hz，采樣時間為600 s，掃描速率均為0.5 mV/s，得到不同試驗方案下的噪聲曲線如圖1、圖2所示。

從圖1中可以看出，方案3電位噪聲隨時間變化比較平穩，其余方案中圖形均呈現緩慢上升趨勢，這表明研究電極均處于鈍化體系中。方案1、2、6、8、9的曲線表明鈍化膜在緩慢生成，鈍化膜沒有被破壞；在方案3、4、5、7的曲線表明鈍化膜破壞后再被修復，發生了局部的腐蝕與修復過程。方案7電位噪聲波動幅度相比較其他方案較大，噪聲峰較多，表明鈍化膜還不是很穩定[4]。

圖1　電位噪聲-時間曲線

圖2　電流噪聲-時間曲線

圖2中曲線變化整體呈現出平穩走勢，無明顯的上升或者下降趨勢，電極電流的大小和鈍化膜的薄厚成反比，電極電流出現波動，說明鈍化膜反復被破壞而后自我修復[5]。方案3和方案6中出現的跳躍點，可能是由于材料自身缺陷造成的，對整體腐蝕性能影響不大。

對圖1進行時域分析，得到不同試驗方案下的標準偏差SD、噪聲電阻Rn和孔蝕指標PI，如表3所示。

表3　TA10合金噪聲曲線參數表

由表3可知電位和電流的標準偏差數值變化很小，說明噪聲電位和噪聲電流的上下波動幅度較小。孔蝕指標遠小于0.1，表明材料在高溫，低pH值，高濃度氯化物環境下具有良好的耐蝕性[6]。對噪聲電阻值進行極差分析，得表4。

由表4分析可知，噪聲電阻的主要影響因素為pH值和溫度。

表4　噪聲電阻極差分析表

(1)當溫度不變時，方案2、5、8(pH值均為2)在其對應溫度下噪聲電阻Rn值均較大。

(2)當pH值不變時，方案7、8、9(溫度均為90 ℃)在其對應pH值下噪聲電阻Rn值均較大。

(3)實驗范圍內，噪聲電阻Rn的值隨溫度的升高而增大，表明升溫使使TA10合金的耐蝕性增強[7]。

對圖1進行傅立葉頻域變換，得到功率譜密度曲線，如圖3所示。

圖3　電位噪聲譜功率密度變換圖

由圖3可以得到高頻段斜率K，結果如表5所示。

表5譜功率密度曲線高頻段斜率K值

Table 5High frequency section slope value

(dB/decade)

由圖3可以看出，譜功率密度曲線趨勢相同，高頻部位上下波動不大，表明熱噪聲和散粒噪聲對電極局部腐蝕影響不明顯，但是存在影響；由表5可知，在譜功率密度曲線的高頻(線性)傾斜部分，其斜率K均≥-20 dB/decade，表明在閃爍噪聲存在的情況下，電極發生點蝕[8]。

4　結論與建議

(1)TA10合金在模擬管程腐蝕環境中，均能形成鈍化膜，建議使用TA10合金作為換熱管材質；

(2)實驗范圍內，噪聲電阻Rn值隨溫度的升高而增大，即TA10合金的耐蝕性隨溫度的升高而增強；

(3)當pH值為2，溫度為90 ℃時，所測噪聲電阻Rn值最大，即此時TA10合金的耐蝕性最強；

(4)在滿足工業化生產的前提下，也可選用更耐點蝕的非合金材料，比如石墨以及玻璃鋼等。

[1]李瑞冰,張廷安,李景江,等.利用電廠粉煤灰酸法生產氧化鋁[J].中國電力,2013,46(2):40-45.

[2]陳惠玲,李曉娟,魏雨.碳鋼在含氯離子環境中腐蝕機理的研究[J].腐蝕與防護,2007(1):17-19.

[3]李云雁,胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京:化學工業出版社,2015:124-159.

[4]Adham M.NAGIUB. Comparative Electrochemical Noise Study of the Corrosion of Different Alloys Exposed to Chloride Media[J].Engineering,2014,06(13):1007-1016.

[5]劉士強,王立達,宗秋鳳,等.純Al表面局部孔蝕的電化學噪聲特征分析[J].中國腐蝕與防護學報,2014,34(02):160-164.

[6]李久青,杜翠薇.腐蝕試驗方法及監測技術[M].北京:中國石化出版社,2007:68.

[7]尹擎.基于電化學噪聲的腐蝕監測技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學材料與化學工程學院,2013.

[8]張鑒清.電化學測試技術[M].北京:化學工業出版社,2010:333-382.

Corrosion Study of Heat Exchange Tubes in Aluminum Chloride Industry

RUANYing-hao1，JIANGNan2

(1 School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065；2 PetroChina Changqing Petrochemical Company, Shaanxi Xianyang 712000, China)

Heat exchanger is an important equipment in aluminum chloride industry，its corrosion condition restricts the aluminum chloride industry. Based on the condition of heat exchanger tubes in aluminum chloride industry，its corrosion influence factors were analyzed. The main influence factors were temperature, pH value, the concentration of Aluminum Chloride. Using electrochemical test to study the effect of three factors, the results showed that the TA10 alloy had no obvious corrosion in the study. The range analysis showed temperature and pH value were the main factors influencing the Rn, the Rnincreased with the rise of the temperature. When the temperature was 90 ℃ and the pH value was 2, the TA10 alloy had the maximum value.

heat exchange tubes; corrosion; influence factor; electrochemical test

阮英浩(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：石油石化腐蝕與防護技術。

TK172

A

1001-9677(2016)010-0178-04