換熱器腐蝕機(jī)理分析、防腐和維護(hù)

王德水

（中國(guó)神華集團(tuán)煤化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

換熱器種類有很多種，根據(jù)用途主要有加熱器、熱交換器、再沸器、冷卻器四種。換熱器也因此應(yīng)用在不同的工業(yè)系統(tǒng)，其形式與結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生較大的變化。換熱器在石油化工、煤化工、煉油等相關(guān)行業(yè)中起到了不可或缺、舉足輕重的作用。在不同工作環(huán)境下的換熱器也應(yīng)改有不同的設(shè)計(jì)方案，如在不同溫度、不同流體、腐蝕性強(qiáng)弱、氣壓強(qiáng)弱等物理環(huán)境條件下，換熱器的結(jié)構(gòu)和選材不同的。滿足工作環(huán)境要求主要是通過選擇適合設(shè)備各部位的材料，同時(shí)還要考慮換熱器合理的防腐工藝，將設(shè)備的服役效果升級(jí)。

1 換熱器的腐蝕原理

大部分換熱器的組成材料為金屬，因不同工作環(huán)境而發(fā)生金屬腐蝕。據(jù)相關(guān)資料了解，每年因腐蝕損失掉大量金屬，給企業(yè)乃至國(guó)家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。如果采取合理的防腐措施，可以大大降低金屬腐蝕。換熱器中各部分材料大多為碳鋼或不銹鋼等，可以根據(jù)材料組分來探究腐蝕原理。換熱器的金屬腐蝕按照腐蝕機(jī)理為兩類：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

1.1 換熱器的化學(xué)腐蝕原理

換熱器化學(xué)腐蝕是金屬材料中的組分與所處工作環(huán)境的介質(zhì)直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成的，如換熱器金屬管道的高溫氧化、垢下腐蝕、部件減薄穿孔等。

1.2 換熱器的電化學(xué)腐蝕原理

換熱器的電化學(xué)腐蝕是十分普遍的，換熱器電化學(xué)腐蝕是由于金屬和其所處環(huán)境發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而造成的。從本質(zhì)觀點(diǎn)上來看，換熱器的電化學(xué)腐蝕就是金屬表面的磁性氧化薄膜在水及溶液作用下發(fā)生電子流動(dòng)的腐蝕。反應(yīng)方程式是：陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e-；陰極：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2。陽(yáng)極、陰極在金屬表面的反應(yīng)方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2，生成保護(hù)膜：3Fe（OH）2→Fe3O4+H2+H2O。金屬材料在受到電化學(xué)腐蝕后，通常會(huì)生成保護(hù)層，迫使腐蝕不能繼續(xù)進(jìn)行。換熱器介質(zhì)中含氧、氫離子過多與氫氧根離子反應(yīng)而造成金屬腐蝕。

（1）溶解氧過多。如果換熱器內(nèi)液體中溶解氧過多，會(huì)生成Fe（OH）2，反應(yīng)方程式為：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓，4Fe（OH）3+Fe（OH）2→Fe3O4+4H2O。

（2）氫離子過多。如果換熱器內(nèi)介質(zhì)中所含氫離子過多，致使Fe（OH）2不能生成，腐蝕更加劇。其反應(yīng)方程式為：陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e-，陰極：2H++2e-→H2。

（3）氫氧根離子過多。雖然氫氧根離子對(duì)保護(hù)膜的形成起積極作用，但是在氫氧根離子濃度過高時(shí)，保護(hù)膜將因其濃度過高而被破壞。其反應(yīng)方程式為：Fe（OH）2+2OH-→FeO22-+2H2O；Fe3O4+4OH-→Fe2-O+2FeO2-+2H2O。而后，含F(xiàn)eO22-的物質(zhì)與含F(xiàn)eO2-的物質(zhì)發(fā)生水解，生成OH-離子，其反應(yīng)方程式為：FeO22-+2H2O→Fe（OH）2+2OH-；FeO2-+2H2O→Fe（OH）3+OH-。通過方程式可知：由于OH-離子沒有被消除掉，從而增加了換熱器的碳鋼與不銹鋼材的腐蝕速度。

（4）氯離子使腐蝕性增強(qiáng)，換熱器金屬材料均會(huì)在一定濃度的氯離子條件下發(fā)生電化學(xué)腐蝕，故要根據(jù)介質(zhì)中氯離子的含量多少來確定使用哪一類金屬材料或者復(fù)合材料，以避免氯離子帶來不必要的電化學(xué)腐蝕。

2 避免換熱器過度腐蝕的主要手段

由于換熱器工作環(huán)境的特殊性，其表面間接或直接與腐蝕性物質(zhì)相接觸，使換熱器的腐蝕嚴(yán)重。要延長(zhǎng)換熱器的使用壽命，在換熱器組成材料上要多選取抗腐蝕性較強(qiáng)的金屬材料或非金屬材料，并且在材料選擇完成后，還要進(jìn)行對(duì)金屬材料或非金屬材料的抗腐蝕化處理。但有時(shí)對(duì)金屬材料或非金屬材料的抗腐蝕化處理后，可能因接口處處理不合理，進(jìn)而造成接口處的內(nèi)部與外部的雙面腐蝕。故對(duì)接口時(shí)處理工藝，顯得尤為重要。除此之外，管道可能存留一些致使腐蝕性增強(qiáng)的物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致了金屬材料或非金屬材料的管道從內(nèi)部開始腐蝕，最終使設(shè)備損壞、報(bào)廢。因此，要將金屬材料或非金屬材料的內(nèi)部管道的一切物質(zhì)排空、掃凈，以避免從內(nèi)部開始腐蝕。通常增強(qiáng)換熱器的抗腐蝕性的幾種方法如下。

2.1 涂抹防腐蝕物質(zhì)進(jìn)行防腐

對(duì)換熱器的易腐蝕部位涂抹耐腐蝕性物質(zhì)是增強(qiáng)換熱器抗腐蝕性的主要途徑之一?？梢詫⒔饘俨牧匣蚍墙饘俨牧系墓艿肋M(jìn)行內(nèi)部與外部雙面的涂抹耐腐蝕性物質(zhì)，讓其表面形成一層耐腐蝕性保護(hù)層，以降低腐蝕速率。同時(shí)，該種方法的實(shí)行成本較低并且該種方法的效果也最為明顯。除此之外，在選擇涂抹防腐物質(zhì)前、施工過程中及涂抹后按照一定的施工工藝、方案進(jìn)行，要注意涂抹防腐的物質(zhì)不能與換熱器的材料發(fā)生反應(yīng)，并且要根據(jù)換熱器的材料的不同以及其接觸工作介質(zhì)、工況等條件選取合適的涂層材料。

2.2 選取非金屬保護(hù)層作為涂層

該種方法的優(yōu)勢(shì)在于非金屬材料保護(hù)層具有抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)。比如，某些換熱器設(shè)備中涂抹特定的SHY-99 新型專業(yè)級(jí)防腐物質(zhì)，這種SHY-99 新型專業(yè)級(jí)防腐物質(zhì)的主要成分為：高分子防蝕、改性耐熱合成樹脂與各種耐高溫與耐腐蝕的特殊添加劑等。而后將強(qiáng)有力防腐性能的SHY-99 新型專業(yè)級(jí)防腐物質(zhì)進(jìn)行特殊防腐工藝的進(jìn)行處理使其具有一定的抗酸性、抗堿性、抗油性、抗有機(jī)溶劑等特殊物理性質(zhì)，故使用SHY-99 新型專業(yè)級(jí)防腐涂層的換熱器的壽命至少可以增加3 倍。

2.3 運(yùn)用電化學(xué)保護(hù)法的方式

電化學(xué)保護(hù)法是通過將負(fù)電子引導(dǎo)至被保護(hù)的物質(zhì)上，使該物質(zhì)的表面具備腐蝕的正電子與負(fù)電子相結(jié)合，以達(dá)到靜電平衡，最終起到防腐的效果。該種方法主要分為兩種以犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法與外加電源的陰極保護(hù)法。這兩種方法的效果根據(jù)具體條件也會(huì)不同。其中，犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是一種通過構(gòu)造原電池的方式，讓被保護(hù)的部位物質(zhì)作為陰極，得到電子，這種方法要求陽(yáng)極物質(zhì)要比陰極物質(zhì)更加活潑，否則將起到相反的效果。而另一種外加電源的陰極保護(hù)法的原理是將電源的負(fù)極外連接在被保護(hù)的物質(zhì)上，使被保護(hù)物質(zhì)附近的腐蝕性陽(yáng)離子的到電子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜電平衡，最終起到消除腐蝕的作用。但是，這兩種陰極保護(hù)法的成本都較高，外加電源的陰極保護(hù)法是會(huì)持續(xù)消耗大量的電能，會(huì)消耗比陰極活潑的金屬物質(zhì)，并且相關(guān)技術(shù)也未發(fā)展成熟，所以這種技術(shù)目前只在特殊情況下使用。

2.4 換熱介質(zhì)中加入一定量的緩蝕劑

緩蝕劑，顧名思義，其具有減緩腐蝕的作用?？梢詫⒐ぷ鹘橘|(zhì)中加入一定量緩蝕劑，以達(dá)到降低腐蝕甚至停止腐蝕的目的。然而，緩蝕劑不能過量，可能帶來一定的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，如產(chǎn)品質(zhì)量可能收到影響或者降低換熱介質(zhì)的換熱性能。所以，在使用緩蝕劑時(shí)，要通過合理的、嚴(yán)格的計(jì)算，把控好換熱介質(zhì)中加入的緩蝕劑的量。

2.5 海綿體除氧防腐技術(shù)

這種海綿體除氧技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其具有含鐵量較高、疏松多孔、活性強(qiáng)的特點(diǎn)。其可以提供足夠空間讓氧氣能夠得到充分反應(yīng)。其反應(yīng)方程式為：陽(yáng)極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e-；陰極反應(yīng)：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2；總反應(yīng)方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2↓。而后因氫氧化亞鐵在富含OH-的軟化水中易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，見生成溶解度很小的氫氧化鐵（Fe（OH）3），其反應(yīng)方程式為：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。該海綿體除氧防腐技術(shù)經(jīng)多年測(cè)試以后，可將氧氣的溶解度降到小于0.05 mg/L 的程度，從而解決了換熱器材料因氧氣融界過多而產(chǎn)生腐蝕的問題。

3 相關(guān)換熱器的維護(hù)手段

3.1 對(duì)換熱器進(jìn)行檢查

因換熱器的運(yùn)行環(huán)境具有腐蝕性物質(zhì)的特點(diǎn)，換熱器因與具有腐蝕性物質(zhì)常年接觸會(huì)加快相關(guān)構(gòu)件的腐蝕速率，進(jìn)而可能造成換熱器中流體介質(zhì)的泄漏，引起較大的生產(chǎn)性事故，甚至社會(huì)性事故和大量經(jīng)濟(jì)損失。制定程序性時(shí)間與檢查步驟對(duì)換熱器進(jìn)行檢查是有效減小安全隱患發(fā)生可能的措施。在檢查時(shí)，應(yīng)遵守?fù)Q熱器相關(guān)設(shè)備的檢查注意事項(xiàng)，進(jìn)行規(guī)范的換熱器檢查步驟，以避免引起不必要的損失。同時(shí)，還要針對(duì)是否外漏、是否內(nèi)漏等關(guān)鍵性方面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。如果檢查出相關(guān)換熱器的安全問題一定要及時(shí)進(jìn)行上報(bào)與檢修，以減小換熱器的安全問題帶來的裝置停運(yùn)或者部分裝置停運(yùn)的可能，以便將換熱器的利用率最大化。

3.2 維修的針對(duì)性

在對(duì)換熱器進(jìn)行合理的程序性時(shí)間與程序性檢查步驟后，如若發(fā)現(xiàn)安全隱患，要及時(shí)針對(duì)損壞或待損壞的部位進(jìn)行針對(duì)性的維修。比如：在換熱管因腐蝕或其他原因而引發(fā)的管壁的減薄或管壁發(fā)生穿孔，要將換熱管進(jìn)行更換。還要對(duì)溫度變化的部位與換熱管膨脹的、收縮的進(jìn)行防腐蝕處理，還要注意流通換熱管接口的特殊性，對(duì)流通換熱介質(zhì)管道接口進(jìn)行防膨脹、防泄漏、防銹處理?？梢酝ㄟ^補(bǔ)脹、補(bǔ)焊等方式進(jìn)行處理。

3.3 換熱器的清洗方面

不同的換熱器因其結(jié)構(gòu)的不同或其中所含雜質(zhì)（主要致腐物質(zhì)）的不同，清洗方式也不盡相同。而清洗主要也分為兩種：機(jī)械清洗和化學(xué)清洗。

3.3.1 機(jī)械清洗

機(jī)械清洗是一種大多數(shù)情況下采用高壓射流的清洗方法。這種方法多使用在化學(xué)清洗后，將碳化物垢層進(jìn)行處理。機(jī)械清洗的具有對(duì)設(shè)備磨損程度小、經(jīng)濟(jì)成本低的特點(diǎn)。在清洗之前，常常會(huì)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，以得到合適的水壓清洗范圍，以避免水壓過低而引起的清洗效果不理想與水壓過高而造成對(duì)設(shè)備的損壞。通常情況下，水壓下為（50～70）MPa。機(jī)械清洗可以進(jìn)行對(duì)管內(nèi)與管外以及外殼內(nèi)壁等部位的清洗。在對(duì)碳鋼或不銹鋼材料組分較多的換熱器進(jìn)行機(jī)械清洗時(shí)，要控制好水中Cl-的濃度，以避免造成不必要的損失。

3.3.2 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗分為很多種，比如：對(duì)換熱器進(jìn)行栲膠與堿劑清洗、鹽酸清洗等。以下是幾種具體的化學(xué)清洗的原理。

（1）栲膠與堿劑的化學(xué)清洗方式。該種方式時(shí)通過將栲膠與堿性化學(xué)試劑同時(shí)使用在換熱器需清洗的部位以便起到協(xié)同清洗的作用。它的清洗效果是因?yàn)樗哂幸韵? 個(gè)作用：①剝離作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分（單寧）具有一定的滲透性，可以滲透至水垢與換熱器的碳鋼或不銹鋼之間，并可以在該部位通過化學(xué)法應(yīng)形成酸鐵保護(hù)層，從而使水垢與換熱器金屬材料難以結(jié)合，最終達(dá)到水垢剝離的目的；②改變晶體結(jié)構(gòu)作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分可以與硫酸鹽水垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)將難以除去的硫酸鹽水垢結(jié)晶的致密棒狀結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而易于除去；③疏松作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分（單寧）易在堿性條件下發(fā)生水解生成沒食子酸，也稱“棓酸”。這種化學(xué)物質(zhì)對(duì)具有垢層的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，進(jìn)而因其特殊的碳酸性質(zhì)的水垢溶解性，極大的促進(jìn)了碳酸性質(zhì)水垢的結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松，最終起到將碳酸性質(zhì)水垢脫下的目的。

具體的除垢方法：在具體使用該方法之前，可以通過進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，以得到相關(guān)數(shù)據(jù)，從而根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來控制加入栲膠的量。一般情況下，1 t 水添加（5～10）kg 栲膠。這種栲膠與堿劑清洗的化學(xué)清洗方式，擁有對(duì)金屬損傷小、操作簡(jiǎn)單以及安全性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且它的經(jīng)濟(jì)成本較低。

（2）鹽酸清洗方式。鹽酸清洗具有成本低、應(yīng)用廣的特點(diǎn)。很多化學(xué)清理方式中都有鹽酸的存在。其主要具有幾種作用：①剝離作用。通過鹽酸對(duì)換熱器金屬材料氧化物的溶解，進(jìn)而將金屬與水垢之間的結(jié)合破壞，最終使水垢剝離；②溶解作用。通過鹽酸與碳酸鹽水垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而將水垢轉(zhuǎn)化成易溶解的物質(zhì)，進(jìn)而將水垢除去；③疏松作用。因硅酸鹽與硫酸鹽成分的水垢不能與鹽酸直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而除去，但是可以通過鹽酸溶液環(huán)境將碳酸鹽與富含鐵的氧化物經(jīng)過互相作用，使水垢的結(jié)構(gòu)變得疏松，進(jìn)而通過鹽酸的作用，使水垢除去。鹽酸因其會(huì)對(duì)換熱器的碳鋼和不銹鋼部分產(chǎn)生基礎(chǔ)腐蝕，所以在清洗時(shí)，一定要注意加入一定量的緩蝕劑，以避免基本腐蝕給換熱器帶來的負(fù)影響。與此同時(shí)，在進(jìn)行鹽酸清洗液的配制時(shí)，要注意佩戴好防護(hù)用具，以避免鹽酸給配置人員帶來不必要的傷害。除此之外，適宜的溫度也對(duì)鹽酸清洗起到積極作用，因?yàn)樵跍囟冗^高時(shí)，鹽酸具有揮發(fā)性，會(huì)造成鹽酸的損失；溫度過低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率較低、反應(yīng)速度過慢，對(duì)換熱器的清洗效果不理想。溫度一般保持在（40～60）℃。而且鹽酸的濃度在反應(yīng)過程中具有變化較大的特點(diǎn)，化學(xué)反應(yīng)中后期時(shí)，鹽酸的濃度一般較低，反應(yīng)速率緩慢。此時(shí)可向鹽酸清洗中后期時(shí)，加入一定量的鹽酸，來保證鹽酸濃度從而保證清洗速率和清洗效果。

（3）海綿球清洗方式。由于換熱器內(nèi)部難以進(jìn)行常用的清洗方式，常常用海綿球?qū)Q熱器內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)部清洗。在清洗之前要根據(jù)換熱器的垢層材料與具體使用環(huán)境等因素，對(duì)不同類型的海綿球進(jìn)行選擇。一般情況下，砂式型海綿球應(yīng)用于硬度大的垢層。將海綿球深入換熱器內(nèi)部，進(jìn)行不斷地摩擦，進(jìn)而起到將垢層除去的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展迅速，而換熱器作為某些相關(guān)工業(yè)的不可或缺的設(shè)備，因此，換熱器的防腐和維護(hù)是十分關(guān)鍵的。換熱器的防腐與維護(hù)工作相當(dāng)復(fù)雜的，相關(guān)行業(yè)內(nèi)的換熱器防腐與維護(hù)人員要積極做好換熱器的防腐與維護(hù)工作，以起到在保證相關(guān)工業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，將換熱器的壽命期限延長(zhǎng)的作用。除此之外，還要?jiǎng)?chuàng)新開發(fā)出新的防腐與維護(hù)方案，以改進(jìn)傳統(tǒng)的防腐與維護(hù)方案。