換熱器管束短期失效分析及對策

王志魁

摘?要：換熱器是大型壓縮機機組中不可缺少的換熱裝置，它的高效運行是壓縮機機組正常運行的必要條件，也是壓縮器內工藝氣體的溫度在安全范圍內的保證。在設計范圍內，換熱器的換熱效率和壽命與多種因素密切相關。其中，換熱管內外介質的組成對換熱管束的腐蝕有顯著的影響。

關鍵詞：換熱器;管束;短期失效;對策

某煉化公司一臺水煤氣壓縮機換熱器，管內介質為水煤氣，管外介質為循環水。換熱器殼程溫度在30℃～120℃，管程工作溫度在20℃～40℃，工作壓力在0.2MPa～1.2MPa。該換熱器的換熱管管束在短期內（<6個月）便發生泄漏。導致泄漏的原因很多，本文從多方面分析泄漏的原因。在分析的基礎上，對介質的組成、換熱管束的清洗以及后續的實時檢測提出相應的措施，以保證換熱器工作效率及使用壽命。

1工藝分析

該換熱器管束材料為20號鋼，管程與殼程內介質分別為水煤氣和循環水。

2泄漏原因分析

2.1宏觀形貌

取泄漏管束中的一段進行分析，換熱管內外部銹蝕嚴重，有泄漏孔出現。換熱管外部有黃色的銹跡，管內部的顏色相對較深，黑色銹跡。此外，還有許多點蝕坑出現。將腐蝕層外側黃色銹跡除去后發現內側呈黑色。說明除了在換熱管外部有大量的氧化亞鐵存在外，其里層已經被深度氧化成氧化鐵。

2.2腐蝕物成分分析

對換熱管腐蝕層成分進行分析，腐蝕層中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。這說明腐蝕層具有大量的氧化鐵和氧化亞鐵存在。氧化亞鐵呈現出黃褐色，氧化鐵則呈現出黑色。Si的含量符合20號鋼標準的規定;Ca離子以碳酸鈣和硅酸鈣的形式存在;Mg離子的存在加速管道的結垢;除此以外，大量Cl元素的存在加速了對20號鋼材電腐蝕。

2.3金相分析

20鋼管經過冷拔后，基材呈帶狀，白色的為拉伸的鐵素體，拉伸方向沿管子縱向方向;黑色的為珠光體。除銹拋光后的金相組織沒有發生改變。由此可以判斷，該換熱管的基材符合標準，不是造成泄漏的原因。通過宏觀形貌、微觀形貌以及腐蝕層的化學元素分析可知，管束內外表面均發生了腐蝕，且外表面的腐蝕厚度大于內表面的腐蝕厚度，泄漏孔由外表面穿向內表面。主要原因是循環水中存在較高的O含量，Cl、Ca和Mg離子的含量也超標。而在實際生產中，該循環水處理為開放式，水中含有大量的O2存在。換熱設備在高溫高壓下工作，由于換熱管與介質的導熱系數不一致，因此在換熱管附近的介質形成溫度梯度，在溫度梯度的作用下，溶解的O2被源源不斷地帶入到管壁，與其接觸并作用，這是導致換熱管束在短期內就產生嚴重泄漏的主要原因。此外，循環水中無機鹽離子的存在，對換熱管起到腐蝕作用。

3換熱器管束分析檢測

3.1外壁沉積物檢測分析

為了更好地了解管束外壁的腐蝕狀態，對其表面的沉積物進行取樣，借助離子濺射儀完成樣品的制備，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對沉積物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束外圍附著近1mm厚的沉積物，呈現出表面致密，靠近管壁處較為松軟的狀態。能譜分析結果表明管束外圍附著的沉積物成分是硫化亞鐵，摻雜微量的氧化鐵。硫化亞鐵組織結構疏松，可能來自管束內介質附帶的鐵銹，也可能來自于頂循油內硫元素與管束的化學反應，均勻附著于管束外圍。

3.2外壁腐蝕狀況檢測分析

為了更清晰的觀察管束外圍的腐蝕情況，在換熱器中取長度為30mm的管束，將其外圍的沉淀物清理干凈，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對表面存在的腐蝕物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束表面的腐蝕程度較輕，呈現出均勻腐蝕的狀態，腐蝕物質分布極為致密。能譜分析結果表明管束表面的腐蝕物質為含鐵元素和氯元素的化合物。由換熱器管束表面即使出現了腐蝕狀況，但是并不嚴重，不是管束泄露的主要原因，極有可能是管束內壁的嚴重腐蝕所致。

3.3內壁沉積物檢測分析

為了進行管束內壁腐蝕情況的觀察，截取長度為50mm的管束，將其刨切為兩半。首先在管束內壁位置取沉積物樣品，目測管束內壁包含鐵銹和水垢兩種沉積物。之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對沉積物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束內壁存在較多的水垢，水垢表面存在大量裂紋，并未緊緊附著與管束內壁;鐵銹本身的致密性較差，極易破損成粉狀，但是緊緊附著于管束表面，不易清理。能譜分析結果表明水垢的主要組成包括鐵銹、碳酸鹽等;鐵銹的主要成分為鐵的氧化物。

3.4內壁腐蝕狀況檢測分析

對于管束內壁腐蝕狀態的觀察，需要在泄漏管束中截取長度為30mm管段，刨開之后清除管束內壁上附著的沉積物，取出腐蝕程度較大的位置制備分析樣品，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對腐蝕物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束未泄漏位置存在較多的點蝕坑，直徑尺寸在2.5～3mm之間，深度尺寸在1.5mm左右，繼續腐蝕將會穿透管束，導致管束泄漏。能譜分析結果表明腐蝕坑內部的腐蝕物質成分組成為鐵的氧化物，同時夾雜微量的氯化物及硫化物。綜合以上檢測結果可以得出管束出現泄漏是由內壁腐蝕出現的點蝕坑深度不斷增加導致的。

4解決方案

4.1更換和清洗換熱管

首先對該換熱管束進行整體排查，將泄漏的管進行更換。然后對換熱器進行整體化學清洗。在化學清洗前，根據腐蝕的情況確定清洗方案如下：酸洗除銹———預膜形成金屬保護膜。此外，對開放式的水處理改用封閉式的處理方式。避免水處理中含氧量的增加。

4.2循環水處理

在給換熱器清洗和預膜后，還應該對循環水進行處理。為了節約水資源，根據循環水水質，篩選出適用性強的高效緩蝕阻垢劑添加到其中。目前，水處理采用的有機阻垢劑有膦酸類阻垢劑、羧酸類阻垢劑、膦酸羧酸類阻垢劑等。最常用的阻垢劑是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸鹽共聚物組成的復合緩蝕阻垢劑。這些有機酸對金屬表面形成的保護膜起到保護作用，同時對循環水中的碳酸鈣等均有良好的螯合分散和晶格畸變作用。

4.3循環水日常管理

循環水管理素有“三分藥劑，七分管理”之說。在循環水正常運行后，在升溫、蒸發和冷卻的過程中，水質會發生變化。因此，日常運行主要根據水質變化情況進行及時調整，每天定時分析和上報。

與此同時，還要對容器的腐蝕速度和結垢進行測定。將一定規格的金屬掛片安裝在循環水出口管線上的引出管中，一個月后取出稱重。根據掛片的失重情況，可判斷腐蝕速度。根據《工業循環水冷卻水處理設計規范》（GN50050-2007）規定，冷熱設備碳鋼管關閉的腐蝕速度<0.075mm/a。采用監測換熱器法，模擬換熱器的操作條件，用飽和蒸汽作介質。運行一個月后取下測算腐蝕率和黏附速率，污垢熱阻反映結構情況。要求達到《工業循環水冷卻水處理設計規范》（GN50050-2007）規定：換熱設備水側管壁的年污垢熱阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉積速率≤20mg/cm2·月。

結論

通過上述分析可知，本文中換熱管材質合格，造成換熱管束短時期失效的主要原因是循環水水質的問題。因此，針對該問題提出了解決方案。首先對腐蝕嚴重的換熱管清洗。其次，對循環水水質進行阻垢緩蝕處理。在正常運行后，分別對換熱管的腐蝕和循環水的水質進行監控。保證換熱器在設計工況下進行運行的同時，定期進行清洗以使換熱器達到高效換熱并延長使用壽命。

參考文獻

[1]?周葆紅，李言浩，王志亮，等.U形管式換熱器管束失效分析及防范[J].化工設備與管道，2019，40（006）：48-52.