船用板式換熱器防腐與改進

朱　旭

（海軍裝備部， 山西　太原　030027）

引言

板式換熱器是由一組沖壓成特定紋路的金屬板片疊裝成的熱交換器。船舶換熱器大部分會利用海水作為低溫端冷卻介質(zhì)，而板式換熱器具有結構緊湊、傳熱效率高、維修方便和使用壽命長等優(yōu)點。因此目前船用冷卻器大量采用了板式換熱器來為船舶動力、電力等裝置提供水、滑油或蒸汽的冷卻。而海水腐蝕性較強，板式換熱器在長期使用中存在腐蝕泄漏的可能性，所以分析改進其耐腐蝕性能，對提高設備可靠性及降低設備維修保養(yǎng)成本具有重要意義。

1　船用板式換熱器常用結構及材料介紹

1.1　板式換熱器常見結構組成

板式換熱器主要結構組成為換熱板片、密封墊片、前后壓板、上下導桿、支架和過濾網(wǎng)等，各主要零部件作用如下介紹。

1）傳熱板片：傳熱板片是換熱器中起到隔離不同介質(zhì)并進行換熱作用的重要元件，由板材經(jīng)模具沖壓為有特定波紋、密封槽和角孔的金屬板片。換熱板片疊裝后，換熱的兩種介質(zhì)經(jīng)角孔通過相鄰的板片，波紋起到提高湍流程度的作用，從而進行高效率地換熱。

2）密封墊片：板式換熱器密封墊片粘貼在板片周邊的密封槽內(nèi)，疊裝后用以封閉板片空間，防止介質(zhì)泄漏，使換熱的兩種介質(zhì)依照各自設計規(guī)定的通道交叉流動。

3）前后壓板：前后壓板主要用于壓緊中間疊裝的傳熱板片和密封墊片，保證板片間在壓力作用下與密封膠條貼緊，流體介質(zhì)不泄漏。

4）上下導桿：上下導桿主要是起固定、支撐前后壓板及換熱板片的作用，使其便于組裝與拆檢。上下導桿一般采用工字鋼和不銹鋼導軌組裝而成，板片掛裝在工字鋼的上橫梁上，工字鋼的前端與前壓板固定連接在一起，工字鋼的后端與支架固定連接在一起。

5）支架：支架與上下導桿連接，起支撐作用。

6）過濾網(wǎng)：過濾網(wǎng)成圓筒狀，上有密布排列的細孔，套裝于板片角孔組成的海水進水口內(nèi)，防止海水內(nèi)大顆粒雜質(zhì)堵塞換熱器。過濾網(wǎng)一端與海水進水管路相接，另一端使用法蘭蓋在后壓緊板上進行密封固定。

1.2　部分零部件常用材料成分

與海水接觸容易發(fā)生腐蝕的零部件常用材料如下：

1）傳熱板片：傳熱板片的材質(zhì)，根據(jù)換熱介質(zhì)和換熱性能要求等因素選擇，船用換熱器板片通常選用防腐性較好的不銹鋼、鈦或哈氏合金等材料。其中鈦板適用海水、鹽化物等多種流體介質(zhì)，抗氯離子腐蝕能力強，更適宜船用。

2）密封墊片：根據(jù)不同介質(zhì)采用不同材質(zhì)，有丁腈橡膠、三元乙丙橡膠和氟橡膠等，船用換熱器使用海水冷卻時通常選用丁腈橡膠。使用腈類橡膠作為密封墊片，難以產(chǎn)生腐蝕或劣化現(xiàn)象，能長期確保良好的密封性能。

3）過濾網(wǎng)及法蘭蓋：過濾網(wǎng)通常采用不銹鋼制作而成，法蘭蓋通常選用碳鋼、不銹鋼或合金鋼。

2　船用板式換熱器腐蝕分析

金屬材料的腐蝕指金屬與周邊環(huán)境接觸下發(fā)生的狀態(tài)改變。海水中含有大量無機鹽、泥沙、微生物，氯離子含量高，溶有氧氣，導電性較強，所以金屬暴露在海水中較易腐蝕。金屬腐蝕發(fā)生后，最終可能會引發(fā)換熱效率降低、換熱介質(zhì)泄漏等降低換熱器使用壽命的情況。根據(jù)船用板式換熱器所處環(huán)境，可以從物理腐蝕、電化學腐蝕和微生物腐蝕方面探究。

2.1　物理腐蝕方面

板式換熱器中長期在海水等介質(zhì)流動，海水中的泥沙等顆粒雜質(zhì)會不斷與換熱板片等金屬零部件發(fā)生摩擦而破壞表面，海水流通也會使金屬發(fā)生細微形變。在沖刷和海水成分作用下，金屬表面容易被破壞，并與未破壞表面構成陰、陽極,陽極處的金屬成為離子而溶解，并形成電流流向陰極，加速腐蝕金屬表面，加上沖刷時力的作用，腐蝕處可能逐漸磨損形成裂縫。

2.2　電化學腐蝕方面

電化學腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學反應引起的。電勢較低的部位易失去電子而氧化腐蝕，從而構成陽極，電子輸送至還原電解質(zhì)溶液中的被還原物質(zhì)，電勢高的陰極因電子傳遞而減緩腐蝕。在板式換熱器中，零部件在使用普通碳鋼，如法蘭蓋等，直接接觸強電解質(zhì)海水無疑會發(fā)生嚴重腐蝕。

不銹鋼是鉻鎳合金，耐腐蝕性較強，但當使用普通不銹鋼時，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不銹鋼點腐蝕和縫隙腐蝕情況較為明顯。而這原因是不銹鋼耐腐蝕主要依靠鈍化膜的隔離防腐，表面的鈍化膜由內(nèi)層鉻的氧化物阻擋對腐蝕性離子，而外層以鐵的氧化物和氫氧化物為主。海水中氯離子等對鈍化膜有腐蝕作用，造成不銹鋼材料表面形成的鈍化膜變得更疏松，形成細小的原電池，因此被侵蝕。

2.3　微生物腐蝕方面

微生物腐蝕指的是受到微生物影響而促進金屬狀態(tài)改變。海洋中存在大量微生物，當其附著在金屬表面時，鐵氧化菌、硫酸鹽還原菌及藻類等微生物代謝產(chǎn)生的有機物、無機物、酸堿度變化和溶解氧濃度等因素會影響電化學反應速率，加速各類金屬腐蝕。

3　板式換熱器防腐改進建議

防腐改進可以從材料選用、結構設計等方面考慮。

3.1　材料選用

合理選用耐腐蝕材料最為直接且可減少保養(yǎng)次數(shù)。316L等型不銹鋼的鉻、鎳成分含量較高，具有較好的耐腐蝕性能，但長期在海水環(huán)境中點蝕和縫隙腐蝕較為嚴重。奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼因為含提高不銹鋼耐海水腐蝕最有效的元素鉬、氮較高，而具有優(yōu)秀的耐孔蝕性能，可選用作為換熱板片或過濾網(wǎng)材質(zhì)，適用于防腐要求不高的環(huán)境下或節(jié)約成本時使用。目前板片使用最多的是工業(yè)鈦板TA1，金屬強度高且在海水中具有明顯的抗應力腐蝕和生物污堵的能力，但是成本較高，換熱板片可采用此材質(zhì)。

在材料表面使用防腐蝕涂層也是經(jīng)濟有效的方式之一。通過合理的涂覆方法，使金屬表面上覆蓋所需的耐腐蝕涂料保護層，隔離易腐蝕金屬與海水等介質(zhì)，甚至可以起到減少微生物附著的作用。

3.2　結構設計

考慮到物理腐蝕，首先板式換熱器在設計時應在考慮換熱效率的同時合理設計進出介質(zhì)的流速。流速過大會增加海水等對換熱板片等的沖蝕強度，且增大流體流動阻力，流速過小則使微生物容易附著于換熱器內(nèi)部且易結垢。其次可對一些碳鋼類的零部件設計以犧牲陽極的方式進行防腐，增加防腐鋅塊、鐵塊等結構。也可以改進設計，例如過濾網(wǎng)安裝法蘭蓋改進前：過濾網(wǎng)一端法蘭蓋為碳鋼法蘭，長時間使用后過濾網(wǎng)會將粘結的橡膠密封墊片沖磨損刷掉，造成法蘭密封面與海水直接接觸，就會被腐蝕破壞泄漏，影響換熱器的正常使用（見圖1）。改進后：在過濾器盲板法蘭密封面處增加鈦制防腐墊板，防腐墊板將海水和盲板法蘭隔開，避免了法蘭蓋被過濾網(wǎng)磨損造成海水腐蝕（見圖2）。

圖1　改進前用碳鋼法蘭和丁腈橡膠密封墊

圖2　改進后用碳鋼法蘭和鈦制防腐墊板

4　結語

板式換熱器對保障船舶動力等方面至關重要，改進提升其防腐能力有重要的現(xiàn)實意義。融合各防腐措施優(yōu)點，從材料、結構和成本等角度綜合分析，提升板式換熱器壽命和可靠性是永恒的課題。

[1]王建軍.秦山地區(qū)核電廠海水系統(tǒng)管道防腐對策研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[2]王龍，閆小龍，劉地清.船舶海水冷卻器的防腐蝕研究[J].機電技術，2015（3）：23-24.