換熱器管束腐蝕失效原因及防護(hù)措施研究

余 超

（萊卡國際生物科技有限公司，山西 平定 045200）

引言

換熱器的主要作用是將較高溫度流體的熱量傳遞至溫度較低的流體，從而實現(xiàn)溫度的交換。換熱器的應(yīng)用行業(yè)和場所較多，不同的工作環(huán)境、不同的換熱器內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)致?lián)Q熱器所呈現(xiàn)的化學(xué)性質(zhì)也存在較大的差異性。據(jù)統(tǒng)計表明，換熱器常見的故障均是由其管束腐蝕所導(dǎo)致的。換熱器管束腐蝕嚴(yán)重的主要根源在于其在高溫高壓的環(huán)境下工作，金屬材料與換熱介質(zhì)直接接觸導(dǎo)致較為嚴(yán)重的腐蝕[1]。為此，開展換熱器管束腐蝕嚴(yán)重的原因分析，并針對性地提出防護(hù)措施，對于延長設(shè)備使用壽命，降低企業(yè)維護(hù)成本，提高其經(jīng)濟效益具有重要意義。本文重點對換熱器管束失效原因進(jìn)行分析，并提出防護(hù)措施。

1 換熱器管束腐蝕及防護(hù)理論研究

1.1 換熱器腐蝕概述

換熱器管束腐蝕的本質(zhì)為金屬腐蝕。金屬腐蝕分為三個階段，第一階段在金屬表面發(fā)生腐蝕，部分腐蝕介質(zhì)從表面滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部；第二階段腐蝕介質(zhì)與金屬基體發(fā)生作用，以電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)或者物理溶解為主；第三階段為金屬基體溶解于腐蝕介質(zhì)中，使得金屬被腐蝕位置厚度變薄。

在上述金屬三個階段的腐蝕中，第二階段的腐蝕尤為關(guān)鍵，實現(xiàn)對第二階段的腐蝕抑制可在很大程度上實現(xiàn)對腐蝕的防護(hù)。換熱器也不例外，可根據(jù)第二階段不同的腐蝕反應(yīng)分為換熱器的物理腐蝕、換熱器的化學(xué)腐蝕和換熱器的電化學(xué)腐蝕。其中，物理腐蝕主要在高溫的環(huán)境下使得換熱器金屬基體出現(xiàn)一定程度的老化和破壞，直接表現(xiàn)為換熱器表面性能指標(biāo)下降；化學(xué)腐蝕指的是換熱器與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致金屬基體出現(xiàn)氧化反應(yīng)，具有代表性的金屬化學(xué)腐蝕為在金屬表面生銹；電化學(xué)腐蝕指的是換熱器金屬與腐蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得換熱器金屬被破壞，直接表現(xiàn)為金屬出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象[2]。

本文主要以換熱器金屬表面由于電化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的腐蝕為例開展研究。

1.2 換熱器防腐方法研究

目前，在實際生產(chǎn)中為解決換熱器的腐蝕問題，常見的防腐蝕措施為：

1）為換熱器配套耐腐蝕的金屬材料，耐腐蝕性金屬材料的代表包括合金鋼和不銹鋼。

2）在換熱器表面涂抹防腐蝕涂層。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)雖然該手段能夠在短時間內(nèi)起到較好的防腐蝕效果；但是，在生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣的情況下，防腐蝕涂層極易脫落。

3）采用外加電源的方式對換熱器金屬進(jìn)行保護(hù)，將換熱器金屬處于高電位，使其進(jìn)入鈍化區(qū)，從而實現(xiàn)了換熱器防腐保護(hù)[3]。

4）除此之外，還可通過改善循環(huán)水水質(zhì)、使用緩蝕劑等措施達(dá)到對換熱器防腐的目的。

2 換熱器管束腐蝕失效分析

本文所研究換熱器的類型為立置單程固定管板式結(jié)構(gòu)，該型換熱器的工作壓力為0.21 MPa，管程進(jìn)口溫度為61.7 ℃、出口溫度為60.6 ℃；該型換熱器殼程所走介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，該循環(huán)冷卻水的進(jìn)口溫度為26 ℃、出口溫度為35 ℃。

2.1 換熱器管束腐蝕失效檢測方案設(shè)計

為了準(zhǔn)確把握換熱器管束，為后續(xù)制定防腐措施提供支撐。本節(jié)通過制定切實有效可行的方案對換熱器管束腐蝕失效的原因進(jìn)行分析，具體步驟如下：

1）收集現(xiàn)場已經(jīng)發(fā)生腐蝕的換熱器，采用電鏡對已腐蝕的金屬進(jìn)行掃描，對其已經(jīng)腐蝕的局部特征進(jìn)行分析。

2）對換熱器管束金屬材料的化學(xué)成分、金相組織以及腐蝕后產(chǎn)物進(jìn)行分析。

3）將已經(jīng)腐蝕的換熱器管束切割為1 cm×1 cm的方形，采用銅絲、環(huán)氧樹脂等材料制作成電極，通過動電位極化曲線對其腐蝕性能進(jìn)行測試。

4）根據(jù)換熱器的工況和上述的測試結(jié)果綜合分析并確定換熱器發(fā)生腐蝕失效的原因，為后續(xù)制定防腐蝕方案提供支撐。

2.2 換熱器管束腐蝕失效原因總結(jié)

2.2.1 外觀觀察

收集現(xiàn)場發(fā)生腐蝕的換熱器，對其外觀進(jìn)行觀察。所收集的腐蝕的換熱器如圖1 所示。

圖1 換熱器管束腐蝕形態(tài)

分析圖1 并總結(jié)現(xiàn)場換熱器管束發(fā)生腐蝕的情況得出：換熱器管束發(fā)生腐蝕的位置主要集中在其外壁，具體位置為距離管板200 mm 的位置[4]。

2.2.2 管束SEM、EDS 形貌觀察

采用顯微放大鏡對發(fā)生腐蝕的換熱器管束的位置進(jìn)行觀察，得到不同放大倍數(shù)下的微觀形態(tài)如圖2所示。

圖2 不同放大倍數(shù)下腐蝕管束的微觀形態(tài)

分析圖2 可知，提出腐蝕管束中的沉淀物，其除了含有金屬離子外，還包括有不屬于管束的鈣、鎂、鉀離子。而且上述這些離子主要存在于循環(huán)冷卻水中。

綜上，除了管束本身耐腐蝕性偏差以外，導(dǎo)致管束腐蝕的主要外部因素為循環(huán)冷卻水的水質(zhì)偏差。

3 換熱器管束腐蝕防護(hù)措施

通過對換熱器管束腐蝕失效原因分析，可通過改善換熱器管束本身的防腐蝕性能以及改善循環(huán)冷卻水的水質(zhì)兩方面達(dá)到對換熱器管束防腐蝕的目的。

3.1 換熱器管束表面電鍍Ni-P 合金

為了避免換熱器管束直接與循環(huán)冷卻水水質(zhì)接觸導(dǎo)致其腐蝕的問題，可在換熱器管束表面電鍍Ni-P 合金實現(xiàn)管束與循環(huán)冷卻水的隔離[5]。具體工藝流程如圖3 所示。

圖3 電鍍Ni-P 合金工藝流程

本工程采用CHI660E 電化學(xué)工作站對管束表面進(jìn)行電鍍處理。為了驗證電鍍Ni-P 合金的效果和牢固性，將電鍍處理后的金屬表面置于高溫環(huán)境進(jìn)行灼燒處理，冷卻后對電鍍金屬表面的金屬層進(jìn)行觀察，觀察其是否出現(xiàn)脫落或者鼓泡的現(xiàn)象，具體實驗結(jié)果如下：

1）將電鍍處理后的金屬置于500 ℃的恒溫爐中進(jìn)行灼燒處理，并讓其在水中冷卻10 h 后觀察電鍍層的狀態(tài)，經(jīng)上述一系列操作處理后發(fā)現(xiàn)電鍍金屬表面表現(xiàn)為淡藍(lán)色，而且電鍍金屬層未發(fā)現(xiàn)脫落和鼓泡的問題。

2）將電鍍處理后的金屬置于700 ℃的恒溫爐中進(jìn)行灼燒處理，并讓其在空氣冷卻50 h 后觀察電鍍層的狀態(tài)，經(jīng)上述一系列操作處理后發(fā)現(xiàn)電鍍金屬表面表現(xiàn)為綠色，而且電鍍金屬層未發(fā)現(xiàn)脫落和鼓泡的問題。

對電鍍層的牢固性進(jìn)行驗證后還需對其電鍍層的耐腐蝕性進(jìn)行驗證。通過驗證可知：電鍍層在循環(huán)水中動電位掃描曲線主要變現(xiàn)為在其陽極的極化電流密度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，說明電鍍處理后的金屬層表現(xiàn)為較好的耐腐蝕性。

3.2 循環(huán)冷卻水軟化處理

將換熱器的循環(huán)冷卻水更換為地下水，并對其進(jìn)行軟化處理后，經(jīng)實踐表明，循環(huán)水在系統(tǒng)正常運行過程中，經(jīng)測量水中的鐵離子較之前有明顯的增加。導(dǎo)致上述問題的主要原因為：由于管道中存在一定的鐵銹，在藥劑的作用下使得鐵銹從管道內(nèi)壁脫落下來，導(dǎo)致循環(huán)水中的鐵離子濃度升高。通過分析可知，當(dāng)運行穩(wěn)定后循環(huán)水中的鐵離子濃度趨于穩(wěn)定，說明循環(huán)水更換為地下水后具有明顯的防腐蝕效果。而且，循環(huán)水更換為地下水后，在反應(yīng)后循環(huán)水濁度為10 NTU。

3.3 嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制造加工

為有效保證上述防腐蝕措施順利貫徹，同時結(jié)合再沸器發(fā)生管箱部分泄露的問題，經(jīng)分析導(dǎo)致泄露的主要原因是在加工制造過程中不按照規(guī)范操作。因此，針對再沸器原始采用脹焊接的方式實現(xiàn)管束與管板的連接方式改進(jìn)為在管孔內(nèi)向里焊接4 mm 左右，并將焊接所產(chǎn)生的焊肉磨平。采用上述制造加工工藝，保證箱體在較大溫差和振動的情況下不會出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，進(jìn)而避免了泄露事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

換熱器為實現(xiàn)熱量交換的設(shè)備，在實際應(yīng)用過程中腐蝕是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要原因。為了充分掌握導(dǎo)致?lián)Q熱器管束腐蝕的原因，并制定有效的防腐措施。本文制定了換熱器管束腐蝕失效檢測方案，并得出如下結(jié)論：

1）通過對已腐蝕的換熱器的外觀、SEM、EDS 進(jìn)行檢測后得知，導(dǎo)致?lián)Q熱器管束嚴(yán)重腐蝕的主要原因包括有換氣器管束本身耐腐蝕性較差，另外循環(huán)冷水水硬度太大也是導(dǎo)致其腐蝕的主要外部原因。

2）通過在換熱器管束表面電鍍Ni-P 合金和將硬度較大的循環(huán)冷卻水更換為地下水，并對循環(huán)冷卻水進(jìn)行軟化處理兩項措施實現(xiàn)對換熱器管束防腐的處理。