水冷螺桿冷水機組蒸發(fā)器的電化學(xué)腐蝕與保護

唐宏亮

（廈門嘉盟生物科技有限公司，福建 廈門361004）

水冷螺桿冷水機組是化工行業(yè)不可或缺的設(shè)備之一，其正常運行與否直接關(guān)系到化工生產(chǎn)能否正常連續(xù)運行。螺桿式冷水機組，其操控方面的自動化程度發(fā)展很快，多種類環(huán)保型制冷劑得以開發(fā)利用，得到較多化工企業(yè)的認可和使用。但是，其載冷劑系統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕給使用者帶來較大的困擾，因此，有必要從設(shè)備使用者角度出發(fā)，對其使用過程中遇到的問題進行分析，探討解決問題的方法，有效提高設(shè)備的使用年限。

1 水冷螺桿冷水機組系統(tǒng)簡介

1.1 工作原理

機組內(nèi)部循環(huán)運行的制冷劑在蒸發(fā)器管程前膨脹閥降壓吸熱，快速蒸發(fā)制冷，同時與蒸發(fā)器殼程循環(huán)運行的載冷劑冷量交換，使載冷劑達到預(yù)期低溫，降溫后的載冷劑回到貯罐，貯罐中的載冷劑由泵輸送到生產(chǎn)工藝設(shè)備，載冷劑流程示意圖見圖1。

圖1 載冷劑流程示意圖

1.2 載冷劑的選擇

現(xiàn)國內(nèi)水冷螺桿冷水機組最常用乙二醇或氯化鈣水溶液作為載冷劑，乙二醇水溶液以其較低的導(dǎo)電率，從電化學(xué)腐蝕的防護角度，是較理想的載冷劑，但從成本角度出發(fā)，對二者進行對比，乙二醇單價9 700 元/t，氯化鈣單價1 450 元/t。

按配100 t 溶液計算（不考慮二者密度差），乙二醇溶液對應(yīng)-20 ℃工況下，其質(zhì)量濃度要達到40%不結(jié)冰，約需40 t 的乙二醇，其價值為38.8 萬元。氯化鈣溶液對應(yīng)-20 ℃工況下，其質(zhì)量濃度要達到25%不結(jié)冰，約需25 t 的氯化鈣，其價值為3.6 萬元。成本相差十倍之多，加之氯化鈣溶液相對冰點低、不易燃的特點，所以，許多企業(yè)目前還是選擇氯化鈣作為載冷劑。

1.3 蒸發(fā)器的腐蝕

生產(chǎn)實踐中，冷水機組的載冷劑（25%質(zhì)量濃度的氯化鈣水溶液）系統(tǒng)，首先因腐蝕導(dǎo)致?lián)p壞的是蒸發(fā)器，基本在運行半年左右，外殼體就開始出現(xiàn)穿孔漏水現(xiàn)象，且絕大部分的穿孔出現(xiàn)在蒸發(fā)器進水口的焊縫部位，致使冷水機組檢修補焊的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，浪費了大量的人力物力，也直接導(dǎo)致了生產(chǎn)的損失。

2 蒸發(fā)器腐蝕原因分析

金屬的腐蝕按機理可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕和生物腐蝕等。蒸發(fā)器外部殼體材料為20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)部換熱管材料為導(dǎo)熱性能良好的紫銅，兩者通過管板相連接，彼此之間電極電位存在差異，并且其表面同時接觸氯化鈣電解質(zhì)溶液，所以，就具備的“電偶腐蝕”的全部條件，依據(jù)銅和碳鋼的電極電位推斷，組成腐蝕原電池的陰極為銅，陽極為20#碳鋼，符合典型的電化學(xué)腐蝕特征[1]。另外，蒸發(fā)器外殼體制造中的焊縫（外部單面焊接，內(nèi)表殘留有縫隙），一定程度上形成了殘余應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，為銅、碳鋼、載冷劑形成的“電偶腐蝕”起到了“推波助瀾“的作用，導(dǎo)致蒸發(fā)器充當(dāng)了水冷螺桿冷水機組使用壽命的“短板”。

電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕破壞，其特點是在腐蝕過程中有電流流動[1]，電解質(zhì)的導(dǎo)電強度也是衡量其腐蝕速率的重要指標(biāo)。實測常溫下不同介質(zhì)電導(dǎo)率數(shù)值，說明氯化鈣溶液強電解質(zhì)的特性。溶液電導(dǎo)率參數(shù)見表1。

表1 溶液電導(dǎo)率參數(shù)

氯化鈣溶液含鹽量高，具有腐蝕性的離子濃度遠高于一般淡水，因而，用其作為載冷劑，存在嚴重的腐蝕問題。其對系統(tǒng)中設(shè)備均會造成不同程度的電化學(xué)腐蝕，從而導(dǎo)致管道泄漏和設(shè)備失效，嚴重影響設(shè)備的正常運行和安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，必須采取合適的保護措施，有效控制腐蝕的發(fā)生及發(fā)展。

3 蒸發(fā)器電化學(xué)腐蝕的防護

電化學(xué)腐蝕保護技術(shù)按傳統(tǒng)習(xí)慣可分為陽極保護和陰極保護2 大類，陰極保護技術(shù)較早在中國得以應(yīng)用，發(fā)展至今也較陽極保護技術(shù)趨于成熟。陰極保護技術(shù)又大致分為犧牲陽極保護法和外加強制電流保護法2 種，而犧牲陽極保護法的特點是：（1）不需外部電源，對鄰近構(gòu)筑物無干擾。（2）保護裝置簡單、可靠、維護管理工作量小[2]。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

組成蒸發(fā)器有銅和20#碳鋼2 種金屬，因其兩者電極電位的差異，在氯化鈣電解質(zhì)中可以把腐蝕體系看作是一個短路的由20#鋼和銅組成的原電池，如在其上連接上第三個電極（鋅），使得原來短路的二元電池結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，第三電極便替代了二元電池的陽極（20#鋼），向陰極（銅）及20#鋼供給電子，使其被保護金屬表面（原來的陽極20#鋼）不再腐蝕。這里第三電極的電極電位須低于其他電極[2]。犧牲陽極保護法示意圖見圖3。

圖3 犧牲陽極保護法示意圖

常用來作為第三電極的有鎂、鋅、鋁及合金，某些相關(guān)資料也形象的稱其為“犧牲陽極”。選擇時可依經(jīng)濟性、便捷性考慮，也可參考介質(zhì)電阻率選取[2]。

鋅做為一種常見易得的金屬，在含鹽類水中（如海水）做為犧牲陽極，被廣泛的采用。在蒸發(fā)器殼程的進出口，采取放置鋅塊的方法，使得蒸發(fā)器外殼體由原來的“陽極”變化為“陰極”，而鋅塊充當(dāng)了“陽極”的角色，實驗效果：陽極鋅塊安裝后，每間隔兩個月進行一次停機檢查，發(fā)現(xiàn)鋅塊也在不斷的溶解變小，經(jīng)測定：重量3.86 kg 的鋅塊，4 個月后，重量減少到1.085 kg，6 個月后已近全無，需重新更換鋅塊，而檢查蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁，無腐蝕加重傾向，歷經(jīng)2 年鋅塊保護，蒸發(fā)器再未出現(xiàn)穿孔破壞現(xiàn)象。

氯化鈣因其自身生產(chǎn)工藝的不同，也可能導(dǎo)致其水溶液酸性的差異，在螺桿冷水機組中，為避免其對金屬材料的腐蝕，應(yīng)監(jiān)測、控制氯化鈣水溶液的pH 值，使其保持為偏堿性。實驗效果：在氯化鈣溶液中加入適量的片堿（NaOH），pH 值控制在10～12[3]，每周監(jiān)測記錄一次，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果隨時進行調(diào)節(jié)，簡便易行，做為電化學(xué)腐蝕保護的一種輔助措施，效果良好。

冷水機組載冷劑系統(tǒng)中的其他設(shè)備，如：輸送水泵、管道、貯液罐等，盡管附近沒有銅及其他高電極電位材料的存在，但因金屬材料表面與氯化鈣溶液形成的“微電池”，也會導(dǎo)致金屬表面不同程度的電化學(xué)腐蝕，實際生產(chǎn)運行中，可以在氯化鈣載冷劑中填加適當(dāng)?shù)摹熬徫g劑“，減緩對管道和設(shè)備的內(nèi)部腐蝕。

現(xiàn)市場上適用于氯化鈣的緩蝕劑種類很多，水冷螺桿冷水機組作為工業(yè)企業(yè)中的核心生產(chǎn)設(shè)備，選擇緩蝕劑時應(yīng)考慮到其安全性，特別是蒸發(fā)器的銅質(zhì)換熱管，其設(shè)計壁厚基本小于1 mm，評定緩蝕劑是否對載冷劑系統(tǒng)有損害，較實用簡單的方法：銅質(zhì)掛片實驗，將銅質(zhì)掛片浸泡于緩蝕劑及緩蝕劑與氯化鈣混合溶液中，定期對銅掛片進行稱重對比，目的是檢驗緩蝕劑本身對銅質(zhì)掛片是否有腐蝕。

4 對設(shè)備制造的建議

（1）建議對水冷螺桿冷水機組中蒸發(fā)器的設(shè)計和制造給予優(yōu)化，在不降低其換熱（冷）效率基礎(chǔ)上，增加電化學(xué)防護方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其對使用氯化鈣為載冷劑的用戶充分考慮設(shè)備的實用性，并使得更換“犧牲陽極”既簡便又快捷。

（2）設(shè)備焊縫處最容易遭受腐蝕，因此在設(shè)計和制造中，應(yīng)遵守等厚度或逐漸過渡的原則，減少焊縫熱應(yīng)力，改進制造工藝，盡量采用雙面焊接，條件不允許情況下，需單面焊雙面成型，消除焊縫內(nèi)部縫隙，避免縫隙腐蝕。

5 結(jié)語

化工行業(yè)接觸化學(xué)物料的種類很多，特別是各種酸、堿、鹽類的容器和設(shè)備，設(shè)備腐蝕造成直接經(jīng)濟損失的可能性隨時存在。隨著中國改革開放以來工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，電化學(xué)腐蝕防護技術(shù)得以較快地推廣應(yīng)用，但仍存在巨大市場潛力。期待應(yīng)用范圍更廣、技術(shù)更先進、更實用的電化學(xué)防護技術(shù)的出現(xiàn)。