化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂成因及防治措施

任大為

(天脊煤化工集團股份有限公司，山西 潞城 047507)

引 言

隨著社會經濟和科技的不斷發展，化工生產越來越趨向于機械化和自動化。在化工生產中熱量的產生必不可少，而熱量交換是生產過程中必須要經歷的生產工序，化工裝置的換熱器是進行熱量交換的主要裝置。因此，在化工生產中化工裝置換熱器是化工生產中重要的部件，對于化工生產的順利進行起到至關重要的作用。然而，化工裝置換熱器的介質多種多樣其相對復雜，在長期使用的過程中會不可避免的發生腐蝕等問題，使得化工生產不能順利開展。因此，化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂問題的形成原因及防治對于化工生產的順利進行是非常重要的。

1 化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂的原理

換熱器在化工生產過程中是用來完成傳熱的裝置設備，應力腐蝕開裂的發生是在應力和腐蝕的共

同作用下引起的材料部件的開裂。其中應力腐蝕的開裂發生同時需要應力和腐蝕兩方面的作用，并且發生應力腐蝕開裂中的應力是很小的、腐蝕作用也是很微弱的，因此在化工生產中裝置設備的維護過程中經常被忽略。由于化工生產中經常要用到強酸、強堿及其他腐蝕性的化學物質，使得化工裝置的材料經常處于被腐蝕的環境中。裝置的材料同時在拉伸應力的作用下，會發生裝置材料部件的應力腐蝕開裂，使得裝置無法正常工作，從而使得化工生產不能順利進行[1]。

2 化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂的原因分析

對應力腐蝕開裂的化工裝置換熱器及管線進行取樣，采用X射線熒光光譜儀及紅外碳硫分析儀對其成分進行分析，同時采用電子顯微鏡對開裂材料進行微觀的結構觀察，并選擇腐蝕的材料對其腐蝕的產物進行成分的分析，成分檢測結果如表1所示。

通常情況下，產生應力腐蝕的材料與環境介質如第151頁表2所示。從表2可知，大多數的材料發生應力腐蝕都有氯離子(Cl-)的存在，而化工裝置換熱器及管線的材質中常含有氯離子(Cl-)。通過分析發現由于氯離子(Cl-)在酸堿值pH小于7的條件下會呈現出鹽酸(HCl)的強酸性，當氯離子(Cl-)溶于水后就可以在化工裝置的換熱器及管線的璧上聚集，可以為應力腐蝕提供腐蝕的環境，在較小拉伸應力的作用下，可以發生應力腐蝕開裂。與此同時，由于氯離子(Cl-)的半徑很小，其穿透力非常強，易于穿透材料的保護膜進入開裂的部位，從而增加腐蝕開裂部位的氯離子(Cl-)濃度而使其應力腐蝕開裂的速率更快[2]。

表1 換熱器管材的成分分析(質量分數，/%)

表2 產生應力腐蝕的材料—環境介質組合

3 化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂的防治措施

由于化工裝置換熱器及管線的應力腐蝕開裂對化工生產的順利開展易對造成極大影響。因此，采取有效的防治措施來預防和治理化工裝置換熱器及管線的應力腐蝕開裂問題是非常重要的。通過上述的化工裝置換熱器及管線的應力腐蝕開裂的形成原因的分析，可知裝置材料中的氯離子(Cl-)的存在是換熱器及管線應力腐蝕開裂的主要原因，因此通過對化工裝置換熱器及管線的腐蝕層進行性能的改良、加強換熱器制造工藝的控制和換熱器的清潔力度、實施管道內壁的在線監測及熱傳導介質侵蝕性的有效控制等措施來進行化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂的有效防治[3]。

3.1 腐蝕層性能的改良

在選擇化工裝置換熱器及管線腐蝕層材料時，要充分考慮到材料對應力腐蝕的抗性，盡量選擇抗應力腐蝕性能優良的腐蝕層材料，同時對化工裝置換熱器及管線起到良好的保護作用。例如，選擇易于組織形成裂紋的材料，可以有效防止電解質溶液與管壁表面大面積的接觸，在建立防腐層時通過改變管壁表面的實際狀態來有效降低管壁的應力，以阻止管壁材料發生應力腐蝕。因此，通過改良化工裝置換熱器及管線管道的腐蝕層材料的性能來有效防止管道材料應力腐蝕開裂的發生。

3.2 換熱器制造工藝的控制

在化工裝置換熱器的制造工藝過程中，應該選用強度焊接工藝而避免采用脹接工藝來制造換熱管和管板，由于脹接工藝容易引起管道材料應力腐蝕的發生，而強度焊接工藝可以有效避免應力腐蝕的發生。對于必須要采用脹接工藝制造的熱換器，可以采用一端強度焊接、脹接的順序進行，而另一端采用脹接、強度焊接的順序進行，從而避免換熱器材料的應力腐蝕。此外，對于化工裝置換熱管的安裝長度也要進行控制，盡量預留出一定長度的收縮量來避免換熱管材料應力腐蝕開裂的發生[4]。

3.3 換熱器的清潔力度

在化工生產中裝置換熱器及管線長期處于工作狀態，其換熱器管道內將會沉積很多污垢，又由于化工生產常會用到強酸、強堿及其他強腐蝕性的化學物質，因此管道中沉積的污垢可能會對管道產生一定的腐蝕性。與此同時，化工裝置的換熱器管道通常會用到金屬材料，金屬表面長期接觸大量的化學物質，將易于發生表面腐蝕，這些因素都會對換熱器及管線的應力腐蝕開裂產生一定的影響。因此，加強化工裝置換熱器的清潔力度，將換熱器管道的污垢進行及時有效清理，將會對管道材料的腐蝕起到一定的抑制作用，進而防止換熱器管道材料的應力腐蝕開裂的發生，最終實現保護換熱器管道的目的[5]。

3.4 管道內壁實時在線檢測技術的研究開發

在化工裝置換熱器及管線的檢測維修中，一般采用的是傳統的管道檢測技術，只能在換熱器管道外壁發生腐蝕時才能進行檢測，而對管道內壁材料的腐蝕狀態不能進行實時的在線監測，不能對化工裝置換熱器及管線進行及時的維護。通過研究開發換熱器管道的實時在線檢測技術，不僅可以對換熱器管道的外壁進行檢測，還可以對換熱器管道的內壁進行實時的在線檢測，及時掌握換熱器管道內壁的腐蝕情況，從而進行及時維護、清理或更換，以保證化工生產的順利進行。因此，通過研究和開發化工裝置換熱器及管線的實時在線檢測技術，可以對化工裝置換熱器及管線的應力腐蝕開裂問題進行有效預防和控制，保證化工裝置換熱器能夠順利高效的工作。

3.5 熱傳導介質侵蝕性的有效控制

在化工裝置換熱器工作的過程中，熱傳導介質是換熱器工作的重要組成部分，熱傳導介質的腐蝕將會對換熱器的熱傳導產生極大的影響。介質對不同的化工裝置換熱器管道的腐蝕會有不同的影響，如不銹鋼材質的化工裝置只有在偏中性的氯化物溶液易于發生應力腐蝕，當介質中的氧含量比較低時，就不易發生應力腐蝕，可以通過去除介質中的溶解氧量來避免換熱器管道材料應力腐蝕問題的發生。與此同時，由于氯離子(Cl-)是發生換熱器管道應力腐蝕的主要因素，還可以通過減少介質中氯離子(Cl-)的含量來避免管道應力腐蝕的發生。因此，通過控制介質的侵蝕性，如去除介質中溶解氧量或減少介質中氯離子(Cl-)的含量來實現化工裝置換熱器及管線應力腐蝕開裂的有效防治。

4 結語

隨著化工生產規模的不斷擴大和化工生產自動化的不斷深入，化工裝置換熱器作為化工生產熱交換工序的主要儀器設備，其管道材料的應力腐蝕開裂問題的研究與防治時非常重要的。通過分析化工裝置換熱器及管線發生應力腐蝕開裂的主要成因來對換熱器管道材料的應力腐蝕開裂進行有效的防治，以保證化工裝置換熱器的高效運轉，進而實現化工生產的順利進行。