关键词：管壳式换热器；腐蚀失效；化学腐蚀；电化学腐蚀；垢下腐蚀
1、简述
管壳式换热器主要由壳体、管板、传热管、管箱、折流挡板等组成。所需材质可分别采用普通碳钢、紫铜、不锈钢及特殊材质制作[3]。管壳式换热器结构及工作原理如图1所示：在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程[2]。
管壳式换热器的泄漏失效大多数发生在管板和传热管上，失效的原因往往与腐蚀息息相关。下面将主要从管板和传热管这两个部位受到的腐蚀问题进行重点阐述、分析原因。
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（图1）
2、管板腐蚀失效原因分析
管壳式换热器管板的泄漏失效大多是腐蚀造成的，腐蚀形式基本有两种：电化学腐蚀和化学腐蚀。列管式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存在不同程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀。这就是我们常说的电化学腐蚀[1]。研究表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用[5]。另外，金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质，就会受到化学介质的腐蚀。另外，换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金腐蚀。一些管板还长期处于腐蚀介质的冲蚀中。尤其是固定管板换热器, 还有温差应力, 管板与换热管联接处极易泄漏,导致换热器失效。
综上所述，影响换热器管板腐蚀失效的主要因素有：①介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为 50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到 60%以上时，腐蚀反而急剧下降；②杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀；③温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升 10℃，腐蚀速度约增加 1~3倍，但也有例外；④流速：一般对水冷器而言，流速越小，越容易挂垢，管板的被腐蚀越大。⑤应力：温差应力、制造应力，或者检修时打堵头堵管产生的应力会使管板与换热管联接处产生微裂纹，从而发生缝隙腐蚀，应力越大，裂纹越多，腐蚀失效也越快。
然而在正常生产当中，对于上述因素：介质成份、浓度、杂志、介质温度、PH值、流速等我们是不能轻易改变的，只有通过防腐措施，在管板上涂刷保护层，在被保护基体上形成固化形态的保护涂层，并起到屏蔽作用，使基体钢板和循环水隔开,以免受腐蚀锈蚀，涂层必须具有抗渗透性能、对腐蚀介质的稳定性、附着力强、相适应的力学性能等，才能确保涂层稳定耐用，保护设备提高运行周期。
目前市面上我们接触最多的保护涂层是英国的贝尔佐纳(Belzona)防腐修补剂和美国1st line (福世蓝)防腐修补剂，这两家的防腐产品其实都是一种高分子复合材料，利用高分子渗透形成分子之间的作用力，使其与修复部件形成范德华力和氢键链接，从而确保其与修复保护部件的粘接性能。分子复合材料的特殊分子结构赋予的适应交替变形和温度的变化等性能，确保材料具有优异的防腐蚀、抗气蚀、耐磨损能力。其施工也较为简单，将需要保护的部位喷砂除锈，清理干净，分层涂抹均匀，固化一段时间后即可达到使用要求。图2、图3为我厂乙烯装置某换热器管板发生腐蚀后，进行喷涂防腐前后效果图，防腐效果明显。
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管板表面锈蚀严重 （图2） 喷涂保护图层完成后的管板（图3）
3、传热管腐蚀失效原因分析
管壳式换热器的管束是薄弱环节，最容易失效。其失效的形式主要有腐蚀穿孔、腐蚀开裂、湍流振动引起机械损伤等，这里主要分析一下水冷型换热器管束因腐蚀而失效的原因。
3.1.结垢对换热器管束腐蚀的影响
影响结垢的因素包括污垢含量、氧浓度、换热器温度等。垢下封闭区金属为阳极，阳极反应则是铁的溶解。垢层越厚，则越容易在垢下产生腐蚀，并向纵深发展直至穿孔，这也就是所谓的垢下腐蚀。从我厂历次检修打开的换热器可以看出，换热器结垢比较严重的，在经过高压水清洗除垢以后，换热器有明显的坑蚀现象，这就是垢下腐蚀的结果。
先来说说水中的盐类的影响：水中的盐类主要是钙、镁、钠离子形成的化合物，离子浓度越高，水的导电性增强，也就加快了电化学腐蚀。其中钙、镁离子是换热器结垢的一个重要因素，GB50050-2007《工业循环水处理设计规范》要求“钙硬度+碱度”不超过1100mg/L,SH3099-2000《石油化工给水水质标准》要求“钙硬度+碱度”不超过1000mg/L。高浓度的钙、镁离子很容易造成换热器结垢，引起金属垢下腐蚀。
其次，水中悬浮固体的增加会加大腐蚀速率，同时悬浮物的沉积还会引起沉积物下金属的电化学腐蚀。循环水中浊度是判断悬浮物多少的标志。浊度又是水质的综合指标，除了表示悬浮物的多少外，还能间接地反映出水中微生物情况[4]，降低浊度是防止污垢沉积的有效手段，浊度越低对减缓设备的腐蚀与结垢越有利。SH3099-2000《石油化工给水水质标准》中规定除炼油行业浊度不超过20FTU，其它行业浊度不超过10FTU。
还有循环冷却水在循环过程中，空气中带入菌类、微生物，可以使菌藻迅速繁殖。菌藻的大量繁殖，形成生物黏泥沉积在金属表面，易产生电化学腐蚀。同时一些微生物的新陈代谢过程也参与了电化学过程，促使腐蚀加速。
图4为我厂C4装置某换热器，循环冷却水走壳程，打开之后结垢严重，管束内部塞满了污泥及其他杂质，清洗难度很大。 高压水清洗后，也只能将外围约三分之一的污垢洗掉，基本上报废不能用了。洗干净的的管束如图5，外表面垢下腐蚀严重。布满腐蚀坑，深度达1.5mm。因此循环水的清洁度是影响换热器腐蚀的一个很重要的因素。
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（图5 ）
3.2.水中离子的质量浓度对腐蚀的影响
高质量浓度盐类将使水的导电性增大，易发生电化学作用，增大腐蚀电流促使腐蚀加剧。循环水中CL-和SO42-等离子的含量高时，会增加水的腐蚀性。CL-不仅对不锈钢容易造成应力腐蚀，而且还容易破坏金属上的氧化膜，因此，CL-也是使碳钢产生点蚀的主要原因[5]。
3.3.水的PH值对腐蚀的影响
PH值偏酸性时，则碳钢表面不易形成保护膜，而且H+又是很好的去极化剂，促进腐蚀电池阴极电子的转移，故PH值偏酸性时，其腐蚀速率要比PH值偏碱性时高。
3.4.水的流速对腐蚀的影响
一般来说，水流速度为0.6~1.0m/s时腐蚀速度最小，当然水流速度的选择不能只从腐蚀角度出发，还要考虑到传热的要求，流速过低会使传热效率降低和出现沉积，故水走管程的换热器的冷却水流速不宜小于0.9m/s。水走壳程时的流速不应小于0.3m/s。
3.5.循环水预膜对设备腐蚀的影响
化学清洗是将设备上的污垢、油污和黏泥等附着物通过添加药剂的方法清洗掉，然后再添加药剂使金属表面附着一层保护膜，防止设备腐蚀。因此，化学清洗，预膜好坏对设备腐蚀有很大关系。特别是每次大检修后，对于清洗过的换热器及更换的新管束应严格进行整体预膜处理，给换热器穿上一层保护膜，使其在一定的时间内不受腐蚀的侵害，延长设备使用寿命。
通过以上分析，了解了换热器各种腐蚀的原因，因此合理的选择防腐措施，才能达到高效利用设备的目的。常用的防腐方法有添加缓蚀剂和电化学保护两种。
缓蚀剂以铬酸盐为主要成分的缓蚀剂是冷却水系统常用的，铬酸根离子是一种阳极（过程）抑制剂，当它与合适的阴极抑制剂组合时，能得到令人满意而又经济的防腐蚀效果。铬酸盐-锌--聚磷酸盐：聚磷酸盐的使用是由于它是具有清洁金属表面的作用，有缓蚀能力，聚磷酸盐可以部分转成正磷酸盐，它们也可以同钙生成大的胶体阳离子，抑制阴极过程。铬酸盐-锌--膦酸盐：这种方法用膦酸钠代替聚磷酸盐外与上一种方法相似，氨基甲叉磷酸盐也可以用于比为聚磷酸盐所规定的pH值要高的场合。氨基甲叉膦酸盐可以防止水垢，即使pH值为9也能控制钙盐的沉淀。铬酸盐-锌--水解的聚丙烯酰胺：由于阳离子型共聚物水解的聚丙烯酰胺的分散作用，能够防止或抑制水垢成污垢的产生[4]。
电化学保护采用阴极保护和阳极保护。阴极保护是利用外加直流电源，使金属表面变为阴极而达到保护，此法耗电量大，费用高。阳极保护是把保护的换热器接外加电源的阳极，使金属表面生成钝化膜，从而得到保护。
三．结语
腐蚀是换热器的失效的一个很重要的原因，而且是大量普遍存在的现象，解决好了腐蚀的问题就等于解决了换热器失效的根本。尤其是循环水水质引起的换热器腐蚀是一个长期的过程，潜伏期长，设备破坏面广，往往对生产会造成较大的影响，因此生产部门要将循环水质纳入常态化管理，设备管理部门要将易泄漏换热器的防腐工作列入重点预防性维修项目中。
参考文献：
[1] 张宝宏，丛文博《金属电化学腐蚀与防护》化学工业出版社.2005。
[2] 陈敏恒，方图南《化工原理》化学工业出版社.1985。
[3] GB151-1999.管壳式换热器。
[4] 金熙，项成林，齐冬子《工业水处理技术》化学工业出版社.2010。
[5] 吕胜杰，程学群《循环水中氯离子含量对碳钢腐蚀行为影响规律的研究》石油炼制与化工.2010。
论文作者:吴连喜
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：换热器论文; 管壳论文; 电化学论文; 浓度论文; 磷酸盐论文; 应力论文; 流速论文; 《科学与技术》2019年21期论文;