化工換熱器常見腐蝕問題及防控措施的研究

歐陽偉媛

廣東中化石油化工設計有限公司 廣東 廣州 510700

化工企業生產的主要目的是創造更多的經濟效益，所以化工設備一旦投入使用便會長時間處于運行狀態，這種高負荷的工作環境以及長時間的使用，不僅會增加化工設備性能故障問題，而且還會影響化工設備的使用壽命。而通過換熱器的應用能夠有效調控生產過程中的溫度，為設備創造一個良好的運行環境，所以保證換熱器的質量也尤為重要。結合換熱器故障的原因分析可知，腐蝕問題是造成換熱器故障的重要原因，設備在長期與腐蝕性物質接觸的環境下，使得換熱器的壽命嚴重縮減。為了幫企業謀取更多的經濟效益，并強化設備運行期間的安全性，做好換熱器腐蝕問題分析與防控處理尤為重要。

1 化工設備換熱器相關概述

換熱器簡單來說就是實現能量轉換的設備，通過在換熱器中通入或冷或熱的流體，實現降低或升高其他設備溫度的目的，將其他設備的溫度控制在預期參數標準范圍內，進而提高化工生產的質量和效率。所以結合換熱器的工作原理可知，相較于其他設備來說換熱器不僅會受到自身因素的影響，而且還會受到生產運營周期等因素的影響，其始終處于溫度較高的環境下。當下我國正處于工業發展中期，工業企業的快速發展也使得市場對換熱器的需求量不斷攀升，而不同的企業對于換熱器的需求存在一定的差異性，所以這些促使換熱器的種類和生產規模明顯增多。以能量轉換分類，換熱器的種類主要包括混合式、蓄熱式等；以用途分類，換熱器的種類包括冷卻器、加熱器以及蒸發器等；以材料的角度分類，有金屬、陶瓷等。通過材料、性能多樣的換熱器，更能夠適應化工生產復雜環境的需求[1]。

2 換熱器防腐的意義

2.1 保證設備的正常運行

化工生產中需要使用大量的機械設備，而當下為了滿足人們不斷增長的物質文化需要，化工機械設備也逐漸向復雜化方向發展，所以同一個機械設備可能會需要使用多個換熱器。與此同時，在設備運行的過程中腐蝕問題是常見的現象，而且相較于其他問題來說腐蝕問題的處理難度更高，所以很少有企業能夠實現對腐蝕問題的高效處理。換熱器作為設備的重要組成部分，一旦換熱器出現腐蝕問題而無法正常發揮作用，就會對整個設備的正常運行造成影響，影響企業經濟效益的同時，還有可能會縮短是為了運行壽命，所以保證換熱器持續、平穩運行尤為重要。

2.2 實現高效環境保護

化工企業在生產的過程中本身就會產生大量的污染問題，化工企業作為我國經濟體系的重要組成部分，其不僅具有經濟效益的特點，也需要承擔社會主義市場環境下的社會效益，所以在可持續發展理念的影響下，化工企業也逐漸向綠色環保型方向發展。由于造成換熱器腐蝕的原因多種多樣，所以一旦換熱器發生腐蝕問題，可能會造成有害物質泄漏，進而增加環境污染。而做好換熱器的防腐處理，也是從源頭上減少化工生產環境污染的重要手段，有效的保證了企業的經濟效益和環境效益。

3 化工設備換熱器常見的腐蝕類型

3.1 物理腐蝕

物理腐蝕簡單來說就是由于單純的物理溶解等因素而引起的設備破壞。物理腐蝕是設備中最常見的，也是不可避免的一種腐蝕問題。結合換熱器運行的方式可知，其主要是通過換熱器內部流體的運動從而帶走能量，所以整個換熱器內部的金屬構件和內部流通物質之間存在較大的相對運動。在運動的過程中金屬構件的表面會與流動介質產生摩擦，從而造成摩擦腐蝕。與此同時，換熱器的使用環境相對較為復雜，其始終處于高溫的環境下進行，在高溫環境以及流體內部摩擦力的作用下，進一步增加了摩擦沖擊對金屬內壁的影響。雖然在選擇設備的過程中，為了延長設備的使用壽命，會在設備內部設置相應的保護層，但在長期磨損和沖擊的影響下，也造成換熱器的腐蝕逐漸加劇。除此之外，金屬部件的換熱器在實際使用的過程中其會產生黏性介質，這些黏性介質一旦堆積，會影響換熱器正常的功能，為了保證換熱器的性能，化工單位一般會將換熱器內部介質的流通速度控制在2m/s左右，這雖然能夠有效減少粘性介質的影響，但同樣加劇了內部物理腐蝕的風險。內部介質在高速流動的環境下，其內部會產生大量的氣泡和顆粒，使得金屬表面在承受原有壓力的基礎上瞬間增加數十兆帕的壓力，造成換熱器表面出現深谷以及凹槽等問題。

3.2 電化學腐蝕

為了保證化工機械設備能夠持續有效運轉，換熱器也是處于不斷運轉的狀態下，在長期運轉的環境下，其內部的流體由于摩擦作用也會造成其內部介質數量增多，進而造成介質沉淀等問題。尤其是在換熱器的末端，由于內部流體的流速減慢，使得管內增加了大量的沉積物。與此同時，管道內部沉積物的含量與沉積物的質量、管道內部流速有著密切的關系，所以這也造成管道內部不同區域的沉積物分布不均，沉積物本身粘連性較差且形狀各異，增加了沉積物內部間隙和裂隙產生的概率。在間隙和裂縫所造成的外氧差異的影響下，造成換熱器不同部件之間產生電化學腐蝕現象。當下常見的電化學腐蝕主要包括陽極金屬腐蝕、還原性腐蝕等。陽極金屬腐蝕簡單來說就是陽極區域的金屬離子被氧化，從而形成游離的陽極離子，這些陽極的離子會與陰極金屬發生還原反應，而在反應的過程中可能會產生中性溶液或堿性溶液，一旦發生堿性溶液會造成整個熱轉換器內部的流體產生腐蝕性，在不斷循環的過程中加劇熱轉換器的腐蝕程度[2]。

3.3 管道水側腐蝕

化工設備換熱器中主要的介質就是水，相較于其他介質來說，水資源的成本相對較低而且水的比熱容大，所以在能量轉換的過程中，只需要較少的泵送機械能即可完成水資源的輸送。而為了進一步降低成本，在整個換熱器中水資源始終處于循環利用狀態，但水資源的降溫和升溫處理需要大量的時間，所以整個換熱器中的水資源用量相對較高，若在使用的過程中對水質處理不嚴格，就會增加整個換熱器中水資源的雜質，雜質經過長期的聚集實現量變，最終造成管道水側產生腐蝕現象。與此同時，換熱器中的水一般是弱酸性，再加上水資源在運輸的過程中也會產生氣泡，而氣泡中含有大量的氧氣，所以這也進一步增加了設備被腐蝕的風險。例如管道本身中含有大量的鐵元素，水中的酸性物質與鐵元素發生反應后，游離的鐵離子還會與空氣發生進一步氧化，使管道內部腐蝕加劇。

3.4 應力腐蝕

應力腐蝕簡單來說就是材料在靜應力和腐蝕的共同作用下，造成材料產生低應力脆性斷裂的問題，而應力腐蝕的過程也是在外部應力和殘余應力的作用下造成材料破壞的過程。相較于材料的其他腐蝕問題來說，應力腐蝕對換熱器的影響更深，其對材料能夠造成破壞性的影響，在外力的作用下材料的性能會大打折扣，使整個換熱器出現斷裂或損壞等故障，進而使整個機械設備處于癱瘓的狀態。當下常見的應力腐蝕主要包括陽極溶解應力腐蝕、氫致開裂應力腐蝕等。造成換熱器出現應力腐蝕的原因多種多樣，當下常見的換熱器出現應力腐蝕的原因主要是由于在外界力的作用以及內部流體介質的作用下，使得換熱器表面的氧化膜被破壞，而被破壞的材料和未被破壞的材料分別形成電池的陰陽兩極，通過介質的作用實現電子的高效流動，最終產生原電池。由于原電池中陰陽兩極始終處于不斷反應的狀態，所以其也造成零部件的持續溶解，縮短零部件使用壽命的同時，也造成了極大的安全隱患[3]。

4 化工設備換熱器防腐處理措施

4.1 利用防腐涂料，提升設備防腐性能

防腐涂料對于各種腐蝕來說都有著突出性的作用，其能夠在腐蝕介質和換熱器之間形成隔絕層，從根源上阻絕腐蝕的過程。而不同的防腐涂料其應用范圍也存在差異性，當下常見的防腐涂料主要包括防溶劑涂料、防油腐蝕涂料等，這些涂料能夠在金屬表面形成一層隔離層，通過物理隔絕的方式實現對腐蝕問題的有效隔絕，從而減少物理腐蝕和化學腐蝕等問題。但不同的腐蝕材料各有其優缺點，所以將其應用于化工設備防腐中，工作人員需要結合換熱器應用的實際情況，選擇合適的防腐涂料，從而避免由于防腐涂料選擇不合理進而加速腐蝕問題。例如金屬防腐涂料具有可變性的優勢，通過該防腐涂料能夠有效避免在處理的過程中出現裂縫等問題，但同樣若金屬防腐涂料選擇不合理，其也有可能形成原電池的陽極或陰極，從而加速設備的腐蝕。涂料具體的應用方式主要包括電鍍、火焰噴涂的，在防腐材料噴涂完成后還需要對其進行高溫烘烤，從而使涂層能夠與金屬材料緊密的結合在一起。除此之外，在化工生產的過程中也需要使用到大量的具有腐蝕性的原材料，而這些原材料也可能會與換熱器外部接觸，所以換熱器也需要對外部進行防腐處理。而在不斷研發和創新的過程中，也創造出一種以過濾乙烯為主的底漆和面漆，這種防腐材料不僅具備防潮防水防能的性能，而且還能夠有效抵抗酸堿的侵害，具有較強的防腐能力[4]。

4.2 犧牲陽極的陰極保護法

當前市場上常見的換熱器主要包括銅、不銹鋼等材料所構成，這些材料具有較強的穩定性。管殼式換熱器也是當下常見的換熱器，其是由碳鋼不銹鋼和銅所構成，而碳鋼的材料不僅包含滲碳體還包括鐵素體，在將該換熱器作為冷卻器使用的過程中，由于滲碳體的電位更低，在流體的參與下其能夠形成原電池，在實際使用的過程中管板和列管的焊縫中會出現一些腐蝕性泄漏，這個過程也是電化學腐蝕過程。而處理電化學腐蝕方式最有效的措施就是犧牲陽極的陰極保護法，該方式也是當下化工設備防腐維護的重要途徑。犧牲陽極的陰極保護法簡單來說就是將還原性較強的金屬材料作為保護極，還原性較強的材料可以與負極發生氧化還原反應，從而有效避免了原來的金屬被腐蝕的問題，實現了對陽極金屬的有效保護。例如在換熱器表面增加鎂、鋁等金屬材料，這些金屬材料的還原性比鐵元素更高，這樣換熱器表面的金屬則會代替鐵元素形成原電池，避免了換熱器中鐵元素的腐蝕和破壞。

4.3 防止應力腐蝕

介質是造成應力腐蝕的重要原因之一，在不同的體系下同一種介質也會產生不同的影響。例如在奧氏體不銹鋼中，若其介質為中性氯化物溶液，且介質中氧的質量濃度低于1.3mg/m3，極容易發生應力腐蝕，所以可以通過去除腐蝕性介質的方式達到防腐的目的。工作人員可以在換熱器中加裝緩釋劑等，實現對腐蝕介質的處理，提高換熱器工作質量的同時，也能夠加快生產效率。與此同時，殘余應力也是造成應力腐蝕的重要元兇，脹接結構的殘余應力產生的主要原因是冷加工所引起的內應力所構成，其脹管率越大，殘余應力越大，其所產生的腐蝕傾向越大。所以為了降低應力腐蝕發生的概率，相關人員也需要嚴格控制脹接壓力，必要時可以通過改變換熱管和管板之間的連接方式。

4.4 金屬或無機涂層保護措施

金屬或無機涂層保護措施又被稱為鍍層防護保護，其是在換熱器設備金屬層表面設置一層金屬或無機涂層，通過該涂層實現對換熱器設備的保護作用。金屬涂層的具體操作方法主要包括電鍍、包鍍以及蒸汽鍍等，而無機鍍層保護可以通過噴涂、化學轉換等方式。金屬或無機鍍層兩者之間各有其優缺點，金屬涂層的變化性相對較強，而無機涂層則相對較為脆弱。在實際操作的過程中，工作人員需要確保涂層的完全隔離狀態，及時解決其存在的缺陷以及孔洞等問題，從根本上避免發生電偶效應的概率，提升保護的效果[5]。

5 結束語

綜上所述，時代的發展使得人們對化工行業的依賴程度不斷攀升，作為化工企業的重要設備，在化工生產的過程中必須保證換熱器運行的安全性和有效性。所以化工企業就需要重點關注換熱器的運行情況，針對造成換熱器腐蝕問題的原因進行有針對性的處理，延長換熱器使用壽命的同時，也能夠使其充分發揮自身的能量轉換作用，進而緩解化工生產過程中的壓力，為推動化工領域的全面高效發展提供保障。