換熱器管板腐蝕現象及預防措施

韓世勛

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 甘肅 蘭州 730050）

1 引言

要想確保能夠對換熱器進行分析，需要對換熱器進行模擬。目前，換熱器在使用過程中，其處于水環境以及硫化氫、氨環境，因此其管程加氫氣堤塔底油，按照常規思路，其殼程腐蝕較為嚴重[1-2]。但在實際觀測中，管程腐蝕卻較為嚴重，而管口已成刀刃狀。因此，在分析其內部介質中，通過脫硫、脫鹽處理后，其換熱器管板處于輕腐蝕環境。在使用過程中，經過檢測，約有50%的氣體入塔后便降至塔底，并與42%的熱介質進行交換，產生較小粒氣體，這些小粒氣體很容易發生汽蝕現象。

2 工程概述

為了確保能夠就換熱器管板的反應氣體冷卻因素進行分析，需要得知其整體的腐蝕反應。氣體冷卻器或熱感管套有可能在運行中會產生薄弱、失效等問題。該換熱器以及換熱管最初采用的為深孔焊接形式，在使用過程中，板管孔發生腐蝕，并導致整個換熱管泄漏[3]。因此，必須對半管孔增加套管保護，減少其出現的腐蝕薄弱問題。套管材質可以為15CrMoG，整個換熱器的參數見表1。

表1 換熱器工作參數

根據表1所示，為了防止其管板管孔出現堵塞，因此其整個冷卻板管設有噴頭，可以隨時噴灑硫銨。噴頭通過噴頭閥門進行控制，可以進行現場冷卻。在后續的工作中，其板管邊緣處出現腐蝕現象，且最外周3圈管口發生堵塞，并出現薄弱現象，其他板管的部位管口并沒有發生腐蝕以及堵塞。

3 換熱器管板腐蝕現象分析

3.1 均勻腐蝕

根據查閱到的相關資料[1]，可以得知均勻腐蝕是目前最常見的腐蝕問題。其整個材料發生均勻腐蝕時，其表面均勻剪薄，并沒有形成腐蝕坑。因此，其腐蝕反應方程式包含以下3種：

均勻腐蝕會對材料造成一定破壞，但均勻腐蝕的危害程度有明顯的可預見性。因此，僅需要把握好換熱器的運行特征，就可以有效減少均勻腐蝕的危害。

3.2 點蝕

作為一種腐蝕現象，點蝕可以在金屬局部地區生成腐蝕性小孔。這些小孔如果未能有效處理，會導致金屬內部惡化，呈現深度發展的問題，導致其腐蝕破壞形式更加深入且不可控。在點蝕中，小孔的直徑具有直徑小、深度大的特征。此外，在腐蝕時，其腐蝕產物將會直接覆蓋小孔，因此從外界很難通過常規模式進行檢測。作為隱藏性以及破壞性較大的一種腐蝕形態，點蝕是換熱器腐蝕失效的重點因素。按照相關數據顯示，對換熱器腐蝕失效進行盤點，點蝕導致的問題比例極大。換熱器在經過長時間運行后，其會在換熱管內外兩側出現難溶鹽，而堆積物下方則很容易出現點蝕現象。此外，循環冷卻水的氯離子等強腐蝕性離子也會加劇整個換熱管的腐蝕創口。例如，不銹鋼鋁合金經常會產生點蝕現象。

在通常情況下，在含有氯離子的介質中，包含了點蝕形成的過程以及點蝕孔的生長。因此，目前關于點蝕的形成過程主要包含兩種觀點：首先，對于腐蝕性陰離子而言，腐蝕性陰離子的半徑較小，但腐蝕性陰離子的穿透性極強。因此，其很容易在小孔內穿過鈍化膜，利用小孔內的間隙與金屬接觸后，產生可溶性化合物，因此出現點蝕現象。其次，便是氯離子在其金屬表面通過吸附功能，將吸附氧進行排擠，導致金屬表面出現點蝕現象。

3.3 電偶腐蝕

對于電偶腐蝕而言，其分子在電極位置的不同兩種金屬在后續電解液中，二者出現相互接觸現象。在融合過程中，其金屬作為低電位與電偶的陽極二者呈現腐蝕。發生在接觸邊緣附近，在電有腐蝕中距離邊緣地方，腐蝕性較輕。在混合式換熱器中，其整個換熱管與板管直流板等采用不同材料，因此存在電偶腐蝕的可能。電位差對于電容腐蝕的影響非常重要，其主要發生在電荷腐蝕條件以及推動力中。二者金屬電位較大時，整個機電殼的腐蝕傾向較大。但在耦合厚度中，亦有一定區別。例如，二者金屬回路電位雖然相差較大，但耦合厚度的陽極體腐蝕模式以及速度不一。針對腐蝕電流大小，其不應由電位進行決定，在研究過程中也必須考慮整個極化行動因素。例如，可以分析現有的不銹鋼以及鋁組合電偶，研究二者之間的電位差，以確保能夠實現溶解氧的還原反應。在后續的運行過程中，銅鋁組合可以完成電偶的應用，確保整個不銹鋼度化反應生成良好的催化膜。陰極反應則可以集中在薄膜的脆弱處，而電子則可以穿過。此種方式將會導致陰極極化率高，且陰極反應難以進行，導致電容出現負荷嚴重的問題。因此，可以判斷電極極性以及腐蝕傾向，以便研究電位差是否能發生電偶腐蝕。

3.4 沖刷腐蝕

根據金屬表面的沖刷腐蝕進行分析，金屬表面的腐蝕流體相對運動速度較大，因此這就會導致在后續運行中換熱器金屬表面的沖刷腐蝕性較高，很容易受到腐蝕因素的不良影響，出現干擾，使腐蝕流通介質運行流動出現風險。腐蝕的流動機制可以將其分為氣體、液體以及固體顆粒，對于換熱器液體，其一般出現在高速運行狀態。因此，腐蝕介質以及其相關金屬構件表面運動速度與腐蝕性具有密切關聯。但在換熱器中，其含有固體顆粒等雜質，其將會在高速流速下加快對于金屬表面的沖刷，加快腐蝕特效。在水箱換熱器中，此種腐蝕模式廣泛存在，如不進行有效處理，將縮短換熱器的整體使用壽命。

3.5 應力腐蝕

就整個應力腐蝕進行分析，其在材料加工以及殘留應力腐蝕技術的共同作用下，有可能產生腐蝕形態。在生產過程中，針對換熱器部件，可以產生硬荷載應力，且根據結構的不連續性，其有可能引起局部應力以及制造過程中的參與應力。這些均有可能導致換熱器焊縫結構出現不連接或者連接不緊密的問題，且管殼式換熱器在運行過程中，自身很容易產生一定的應力問題，其主要源自負載應力及熱應力，包含壓力波動、振動所引起的沖擊。在流體沖擊中，根據流體的沖擊反力造成。因此，應力主要包含了熱換氣以及殼體之間的溫差，根據自身的局部溫度變化，很有可能出現溫度差異。在換熱器中，最常見的應力腐蝕包含了應力腐蝕以及氫腐蝕。

3.5.1 套管失效分析

套管失效分析中，將現場發生的嚴重腐蝕性冷卻器套管采用相關的切割方法進行剖開。從施工過程中，其自身靠近管板端所指方向，可以看到套管壁發生薄弱，且在靠近腐蝕最嚴重區域，有明顯的腐蝕減薄。因此，靠近管板處并沒有減薄，從宏觀意義分析，其未能有沖刷痕跡。對靠近管板處進行取樣掃描，可以確保對管壁內表面腐蝕性形貌進行相關的制備分析。

3.5.2 金相分析

分析目前嚴重腐蝕的管板套腐蝕金相組織，可以得知其整個組織為鐵素體以及珠光體。金相組織正常，可以看到整體的軋制方向。因此，其腐蝕坑內具有明顯的腐蝕產物。經分析，為了更為有效地確定腐蝕產物的具體成分，必須借助電掃描鏡進行測試分析，并通過腐蝕性觀察發現腐蝕物產物是否有出現分層現象。

為了更好地確定腐蝕坑底部腐蝕產物的成分，并進行電掃描鏡觀察分析腐蝕露出的掃描形象。通過掃描分析，可以得知套管表面有許多腐蝕口。因此，從微觀上可以看出明顯的沖刷痕跡，這對表面金相分析后其是否發生沖刷腐蝕提供了良好的借鑒。為了更好地分析表面的腐蝕層，可以將制備鏡像的剖面用于掃描鏡觀察，根據腐蝕層進行分析，得出可行性方案。

3.5.3 套管腐蝕物分析

分析目前的套管腐蝕物，可以得知為了明確腐蝕產物的成分，對腐蝕坑進行能譜分析?？梢詫乐馗g薄弱處以及相關的管板腐蝕處進行比對，以便對腐蝕處進行能譜分析，以得知腐蝕層內是否含有少量的“S”元素。

4 換熱器腐蝕因素影響分析

4.1 氯離子

氯離子是換熱器水介質中普遍存在的腐蝕性陰離子，因此其循環水存在的氯離子會加快其碳鋼不銹鋼以及合金等金屬的局部腐蝕。如循環水中含有H2S，在酸性條件下生成的HCl和H2S極易溶于水，從而形成HCl以及H2S相互強化的輻射環境，形成循環腐蝕，其循環公式（1）所示。

4.2 鈣離子

目前，分析鈣離子、鎂離子以及重碳鹽酸水作為循環冷卻水時，其公式如下所示。

其循環冷卻水中還包含了SO42-、Si042-等離子，其會與Ca2+、Mg2+發生反應，生成鋁硅鹽、酸磷鹽。當這些難以溶解的鹽酸超過其溶解濃度時，就會在換熱表面沉積積垢。且由于水垢存在，將會降低換熱效果，很容易引起管束的垢下腐蝕，降低換熱管的使用壽命，影響換熱器的長期運行。

5 結語

綜上所述，其冷卻板口如發生腐蝕減弱，出現腐蝕集中現象，可以分析周圍板孔是否出現硫銨堵塞。在高溫下，其沉積物硫銨容易發生分解，進而與套管發生高溫腐蝕反應，其管板最外周板管孔硫銨堵塞與噴頭結構有關。因此，在該管板上設有中心噴頭，其管板最外為硫銨流速率，如硫銨流速率過低，會導致管板孔堵塞。因此，必須對噴嘴結構進行設計改造，將原來的1個噴嘴改為7個噴嘴，可以解決周圍管子硫銨流速較低的問題，解決管板孔腐蝕現象。