PTA裝置冷卻水中離子濃度變化及其對設備腐蝕的影響

徐澍，崔建航(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

我國是水資源比較匱乏的國家，節約用水是我國大力倡導的環境和資源策略，如何優化水資源利用是社會普遍關注的熱點問題。工業用水占城市水資源使用的絕大部分，而工業用水中又有70%左右用于循環冷卻[1]。如何提升工業循環冷卻水的使用效率具有很大的發展空間。提升循環冷卻水的濃縮倍數是節約用水的重要措施和手段，已經在很多工業領域得以實踐應用，為節約用水作出了非常大的貢獻[2]。但與此同時，提高循環冷卻水的濃縮倍數會使得水中包含的離子含量顯著提升。離子含量過高會對設備和管道等造成嚴重腐蝕，縮短設備運行使用壽命。針對該問題，有必要研究循環冷卻水中離子含量與其腐蝕性之間的關系，以找到濃縮倍數與節約用水之間的平衡[3]。本文以某PTA裝置為例，通過實驗方法研究了冷卻水中離子濃度與腐蝕的關系。對于節約用水并保障PTA裝置的長時間穩定運行具有重要的實踐意義。

1 PTA裝置冷卻水的水質分析

為了提升水資源的利用效率，某PTA裝置中使用的冷卻水濃縮倍數達到了5.0，導致冷卻水中各種離子含量出現了明顯升高，對設備造成了一定的腐蝕。為了對該問題進行分析，對PTA裝置中使用的冷卻水水質進行了分析，所得結果如表1所示。由表中的水質檢查結果可以看出，目前PTA冷卻水中的離子含量非常高，其總硬超過了1 400 mg/L。特別是氯離子和硫酸根離子含量非常高，分別超過了390 mg/L和644 mg/L。由于PTA裝置中很多設備都是金屬材質，冷卻水中包含的大量氯離子和硫酸根離子會對這些金屬材質的設備造成腐蝕。但這種腐蝕速度相對較慢，且主要是對設備內部結構進行腐蝕，因此不容易察覺。基于此，為了防止冷卻水中離子濃度過高對PTA裝置造成腐蝕，影響設備使用壽命，有必要分析研究冷卻水中離子含量與其腐蝕性之間的關聯關系，并采取措施來控制腐蝕問題。

表1 冷卻水水質檢測結果

2 離子濃度變化與腐蝕的關系試驗分析

2.1 冷卻水離子濃度對腐蝕性的影響

為了分析冷卻水中離子濃度對腐蝕性的影響，共開展了4組實驗。4組實驗冷卻水的離子濃度分別為340 mg/L、472 mg/L、616 mg/L和509 mg/L。利用以上4組實驗中的冷卻水對碳鋼和不銹鋼分別進行腐蝕并測量腐蝕速率。試驗溫度控制在50 ℃左右，試驗過程中以75 r/min的速度對冷卻水進行攪拌。整個試驗持續時間為90 h。另外，為了對比冷卻水pH值對腐蝕速率的影響，將第3、4組實驗的pH值分別調整到8.73和6.40。結果表明，第1組實驗對碳鋼和不銹鋼的腐蝕速率分別為0.055 6 mm/s和0.004 1 mm/s；第2組實驗對碳鋼和不銹鋼的腐蝕速率分別為0.060 2 mm/s和0.004 1 mm/s；第3組實驗對碳鋼和不銹鋼的腐蝕速率分別為0.068 8 mm/s和0.0041 mm/s；第4組實驗對碳鋼和不銹鋼的腐蝕速率分別為0.540 2 mm/s和0.002 6 mm/s。

對比前三組實驗結果可以看出，隨著冷卻水中離子含量的不斷增加，對碳鋼的腐蝕速率逐漸增大，但是對不銹鋼的腐蝕速率基本沒有影響。出現這種情況的原因可能是不銹鋼本身具有很好的耐腐蝕性，本次試驗時間相對較短，導致冷卻水中的離子對不銹鋼造成的腐蝕不明顯。第3組和第4組實驗冷卻水中的離子濃度相差不大，區別主要是pH值，第4組冷卻水的pH值相對更低。對比兩組的試驗結果可以發現，在低pH值環境下，冷卻水離子對碳鋼和不銹鋼的腐蝕程度相對更低。

2.2 緩蝕阻垢藥劑對冷卻水離子的腐蝕性影響

為了分析緩蝕阻垢藥劑對冷卻水腐蝕性的影響情況，共設計了7組實驗。其中前6組試驗冷卻水樣品中添加的是緩蝕阻垢藥劑，對應的離子濃度分別為 100、200、300、400、500、600 mg/L。第7組試驗冷卻水樣品中添加的是藥劑A，對應的離子濃度為200 mg/L。通過前6組試驗可以分析相同緩蝕阻垢藥劑的情況下，冷卻水離子濃度對其腐蝕性的影響。通過對比第2組和第7組試驗，可以研究在相同冷卻水離子濃度的情況下，不同緩蝕阻垢藥劑對其腐蝕性的影響。其他實驗條件與上文所述相同，腐蝕對象為普通碳鋼。最終發現，7組試驗對應的腐蝕率依次為0.015 4、0.021 7、0.022 3、0.023 0、0.025 8、0.026 3、0.061 9 mm/a。

以上實驗結果表明，在使用的緩蝕阻垢藥劑相同時，隨著冷卻水中離子濃度的不斷增加，其產生的腐蝕效應越來越明顯。說明冷卻水中的離子濃度與其腐蝕性之間呈正相關關系。對比第2組和第7組實驗結果可以看出，在冷卻水離子濃度相同時，采用不同的緩蝕阻垢藥劑，冷卻水的腐蝕性存在很大的差異。出現這種情況的根本原因在于不同的藥劑具有不同的化學屬性，添加到冷卻水中會與冷卻水中的各種離子發生不同的化學反應，從而降低離子濃度，減緩離子對鋼材表面產生的腐蝕現象。因此，在實踐過程中可以充分根據循環冷卻水的水質情況添加對應的緩蝕阻垢藥劑，以控制冷卻水的腐蝕效應，對PTA裝置進行保護。

3 冷卻水離子的腐蝕機理及其防范措施

3.1 冷卻水離子的腐蝕機理

在化工領域經常會出現容器或者設備的腐蝕現象，非常不利于容器或者設備的長時間穩定可靠運行。基于上述試驗結果可以看出，與普通碳鋼相比較，不銹鋼具有更好的耐腐蝕性，因此在化工領域不銹鋼的使用場景更多。不銹鋼之所以耐腐蝕，主要是因為內部包含有Cr和Ni兩種化學元素，這兩種元素會在鋼材表面形成一層非常致密的保護膜，將鋼材基體與外界環境隔開。但是冷卻水中包含的離子會阻礙致密氧化膜的形成，甚至會對已經形成的氧化膜造成破壞，使致密氧化膜失去保護作用，剛才基體最終出現腐蝕現象。特別是冷卻水中包含的氯離子，會與各種金屬元素發生化學反應，生成鹽酸，導致冷卻水的pH值降低，整體上呈現出酸性，從而加速腐蝕效應。

3.2 防腐蝕措施分析

基于以上分析可以看出，PTA裝置循環冷卻水中包含的各種離子會對裝置、管道及容器等造成比較明顯的腐蝕現象，從而縮短這些裝置或者設備的使用壽命，不利于生產過程的連續性和可靠性。因此在實際生產過程中，需要采取有效的措施來防止冷卻水中離子產生的腐蝕效應。具體而言，可以采取的措施主要表現在以下兩個方面：

(1)合理選擇材料。基于以上試驗結果可以看出，在其他條件完全相同的情況下，不同材料產生的腐蝕率差異性很大。不銹鋼材料的耐腐蝕性比普通碳鋼要好很多，因此在PTA裝置中應該盡可能選用不銹鋼材料來加工制作相關的設備或者管道。其中，常見的不銹鋼材料包括鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼以及雙相不銹鋼等。考慮到本案例中，PTA裝置冷卻水中氯離子含量相對較高，可以在不銹鋼材料中適當增加氮、硅、鉬等元素的含量，這些元素可以有效防止氯離子與致密氧化膜發生反應，從而對其造成破壞。

(2)嚴格遵守相關的操作規范。除冷卻水內部離子濃度對腐蝕性有影響外，其他的化學和物理條件，包括pH值、壓力值、周圍環境溫度等，都會對腐蝕現象產生非常重要的影響。因此，在實際操作過程中必須嚴格按照相關的規范標準來執行。尤其是要確保冷卻水的pH值控制在中性范圍內，酸性冷卻水會加速腐蝕現象。另一方面，考慮到不同的藥劑對腐蝕速率的影響，在合理掌握冷卻水水質的前提下，可以適當向冷卻水中添加一定的藥劑，降低離子的腐蝕性。

采取以上兩種措施后，PTA裝置冷卻水中離子對設備造成的腐蝕現象得到了很好的控制，通過監測發現對裝置的腐蝕率控制在了0.015 mm/a范圍以內，在相關規范標準要求以內。

4 結語

PTA裝置在運行過程中會使用大量的循環冷卻水，為了提高水資源的利用效率，對冷卻水通常需要進行濃縮處理。但是經過濃縮后的冷卻水離子濃度通常要高出很多，并且濃縮倍數越大，離子含量越高。冷卻水中包含的大量離子會對PTA裝置及相關的輔助措施產生一定的腐蝕現象，不利于設備的長時間穩定、可靠運行。本文基于試驗方法研究了冷卻水中離子濃度變化與及腐蝕性之間的關系，發現兩者之間存在正相關關系。即離子含量越高冷卻水的腐蝕性越強。為了降低冷卻水對PTA裝置產生的腐蝕效應，可以使用耐腐蝕的不銹鋼材料來加工制作與冷卻水接觸的部件，也可以向冷卻水中添加合適的藥劑，以減緩離子對金屬材料產生的腐蝕效應。