換熱設(shè)備的腐蝕與防護(hù)

劉云峰

(新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838000)

安全隱患是埋藏于化工生產(chǎn)過程中的隱形炸彈，通常情況下，它會被抑制，但當(dāng)正常條件被破壞，安全隱患就會爆發(fā)，最終演變成事故。氯堿化工設(shè)備作為化工生產(chǎn)常用設(shè)備，其腐蝕問題就是可能破壞正常條件的不穩(wěn)定因素，因此必須重視腐蝕問題并制定控制措施，防止其逐漸發(fā)展而導(dǎo)致生產(chǎn)事故的突然爆發(fā)。

1 金屬腐蝕

金屬材料受周圍介質(zhì)的作用而損壞，稱為金屬腐蝕。金屬的銹蝕是最常見的腐蝕形態(tài)。腐蝕時，在金屬界面上發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)，使金屬轉(zhuǎn)入氧化(離子)狀態(tài)。這會顯著降低金屬材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能，破壞金屬構(gòu)件的幾何形狀，增加零件間的磨損，惡化電學(xué)和光學(xué)等物理性能，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事件。金屬的腐蝕現(xiàn)象非常普遍，如鐵制品生銹(Fe2O3·xH2O)，鋁制品表面出現(xiàn)白斑(Al2O3)，銅制品表面產(chǎn)生銅綠[Cu2(OH)2CO3]等。

金屬在腐蝕過程中所發(fā)生的化學(xué)變化，從根本上來說就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物。金屬腐蝕的途徑一般有兩種：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。 化學(xué)腐蝕是金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是金屬材料(合金或不純的金屬)與電解質(zhì)溶液接觸 , 通過電極反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕。大多數(shù)的金屬腐蝕都屬于后者，構(gòu)成金屬腐蝕的條件主要是電解質(zhì)溶液中存在電位差；在腐蝕電池的陰、陽極之間，要有連續(xù)傳遞電子的回路。金屬腐蝕有點蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕、均勻腐蝕、磨粒腐蝕等。

2 影響換熱設(shè)備腐蝕的因素

2.1 循環(huán)水水質(zhì)

循環(huán)水主要包含濁度、pH值、總鐵、總硬度、濃縮倍數(shù)等指標(biāo)，新疆圣雄氯堿有限公司(以下簡稱“新疆圣雄氯堿”)對循環(huán)水進(jìn)行了嚴(yán)格控制，濁度<20 mg/L、pH值7～9.3、總鐵質(zhì)量濃度<1 mg/L、總硬度≤1 100 mg/L、氯離子質(zhì)量濃度≤700 mg/L等。指標(biāo)往往能夠正確反映換熱器使用狀況，但并不能真實反映特殊情況下對換熱設(shè)備的影響。

(1)濁度粒徑為1 nm～1 μm，也就是通常所說的膠體物質(zhì)。濁度主要由循環(huán)水冷卻時帶入，另外是管道及設(shè)備上剝離的雜質(zhì)。新疆圣雄氯堿所處地域在春、夏、秋季節(jié)時多風(fēng)，更易將沙塵帶入循環(huán)水系統(tǒng)，再進(jìn)入換熱設(shè)備，沉積在換熱管束、封頭內(nèi)壁，長此以往，積垢形成，不但影響換熱效率，還會形成垢下腐蝕。

(2)pH值如果低于7，循環(huán)水偏酸性，在長期運行下會不斷對設(shè)備內(nèi)表面鈍化層進(jìn)行瓦解腐蝕，腐蝕層會出現(xiàn)兩種發(fā)展方向：一種是腐蝕層被沖刷，繼續(xù)腐蝕設(shè)備內(nèi)壁；另一種是溶液濃度上升，個別區(qū)域形成點蝕，點蝕會將垢下腐蝕發(fā)展?jié)B透到設(shè)備內(nèi)壁更深處，外面就會形成明顯的垢瘤，去除垢瘤，會看到凹凸不平的腐蝕后的坑洼，嚴(yán)重時腐蝕穿透，介質(zhì)互串或泄漏到外面，導(dǎo)致危險的產(chǎn)生。

(3)氯離子含量超標(biāo)會破壞金屬或合金表面的鈍化膜，引起金屬的點蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕。天然水中普遍存在的腐蝕陰離子，有極高的極性促進(jìn)腐蝕反應(yīng)，又有很強(qiáng)的穿透性，穿透金屬表面的保護(hù)膜，造成縫隙腐蝕和孔蝕，特別是奧氏體不銹鋼造成腐蝕開裂，危險很大。內(nèi)應(yīng)力及氯離子的催化作用，先是縫隙、點蝕、溝槽，然后開裂，因為在縫隙、污垢、內(nèi)應(yīng)力高、水流速度低的地方氯離子濃度高，溶液富集處的腐蝕就會不斷犧牲鐵單質(zhì)而形成氯化鐵等氧化物。

2.2 換熱管材質(zhì)

換熱管材質(zhì)一般有20#鋼、304不銹鋼、鎳、鈦、TP2磷脫氧銅等，這里重點討論20#鋼。20#鋼是氯堿化工最常見的換熱管材料，主要優(yōu)勢是成本低、換熱效率高；缺點是易腐蝕，例如與氯離子產(chǎn)生反應(yīng)等。如果換熱管是非正規(guī)廠家生產(chǎn)，未按照文獻(xiàn)[1]進(jìn)行冷拔熱處理、超聲波探傷檢測等，就不能發(fā)現(xiàn)換熱管中的缺陷。這些缺陷將在使用過程中成為被腐蝕薄弱點，運行一段時間將會造成腐蝕，腐蝕介質(zhì)甚至?xí)ㄟ^薄弱點泄漏。

2.3 焊接質(zhì)量

一臺設(shè)備的連接有鑄造成型、支模澆筑成型、法蘭連接、焊接等形式，常見氯堿換熱設(shè)備是通過焊接將換熱管與殼程、管板進(jìn)行組對成型，焊接質(zhì)量就成為極其重要的因素；另外，焊接電流也會影響整體焊接質(zhì)量。

3 氯堿化工換熱設(shè)備防腐措施

3.1 循環(huán)水水質(zhì)管控措施

(1)針對循環(huán)水濁度偏高、時有波動的問題，新疆圣雄氯堿采取源頭治理和末端預(yù)防相結(jié)合的措施，解決了循環(huán)水源濁度高的問題。源頭治理的措施包括：在循環(huán)水冷卻塔與循環(huán)水池之間安裝逆向百葉窗，通過百葉窗降低因風(fēng)沙大而刮入的塵土；在循環(huán)水泵進(jìn)口安裝大孔過濾網(wǎng)，對較大雜物進(jìn)行過濾；每隔3年對循環(huán)水池底部的泥沙進(jìn)行清理；每月定期注入新水對舊水進(jìn)行置換(須考慮所處地點水源獲取的難易程度及成本)。對于末端預(yù)防，在此舉例說明。2020年拆檢時發(fā)現(xiàn)1臺循環(huán)水換熱設(shè)備列管積垢嚴(yán)重，通過分析該換熱設(shè)備操控情況，發(fā)現(xiàn)是循環(huán)水閥門開度控制太小，甚至停用，導(dǎo)致泥沙沉積在換熱器列管表面，管殼產(chǎn)生垢下腐蝕，所形成的濃溶液加劇了設(shè)備內(nèi)壁的電化學(xué)腐蝕。管控措施是：將該換熱設(shè)備的循環(huán)水閥門開度調(diào)至最大，提高循環(huán)水通量及流速，及時沖散泥沙，效果良好。

(2)水質(zhì)pH值管理方面，通過定期檢測，添加助劑中和酸度，使pH值始終維持在指標(biāo)段位。

(3)對氯離子的防腐措施。由于循環(huán)水中須加入次氯酸鈉溶液以降低循環(huán)水中的COD、BOD，這又會增加氯離子的含量。對此，通過控制循環(huán)水中次氯酸鈉的加入量，定期定量加入緩蝕阻垢藥劑(化學(xué)方法除去氯離子)，并采用新水置換等措施確保氯離子含量在要求范圍。

(4)循環(huán)水水質(zhì)檢測。在加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)控方面，定期取樣分析，做趨勢圖，察看數(shù)據(jù)變化情況；同時，采取換熱器、重點設(shè)備掛片觀測等監(jiān)測措施。在定期檢查清理換熱設(shè)備時，通過分析并積累垢樣的變化情況及其對換熱材質(zhì)的腐蝕數(shù)據(jù)，及時找到真正原因并采取改善措施。

3.2 焊接質(zhì)量

在換熱管材質(zhì)及焊接方面，首先選擇合格的換熱管，換熱管必須符合文獻(xiàn)[1]的要求(利用光譜儀抽測換熱管質(zhì)量)。焊接前對焊接部位進(jìn)行徹底清理，尤其雜物、水分、氧化層、油污等，確保焊接質(zhì)量，同時對焊條進(jìn)行保溫至少4 h；焊接全程采用氬弧焊，能有效降低飛濺；焊接完畢后，嚴(yán)格進(jìn)行打壓試漏。還應(yīng)采取非常有效的末端預(yù)防技術(shù)，對換熱流體側(cè)定期涂刷酚醛改性環(huán)氧樹脂涂層，利用其良好的耐腐蝕性能，阻隔循環(huán)水對換熱管內(nèi)表面的腐蝕。該措施能有效保護(hù)換熱管束不被腐蝕，通常使用周期達(dá)3～5年。

4 結(jié)語

通過對氯堿化工循環(huán)水換熱設(shè)備的腐蝕原理進(jìn)行分析，得出水質(zhì)、焊接質(zhì)量、操作影響等均會對換熱設(shè)備帶來不同程度腐蝕的結(jié)論，同時提出了針對性的防腐措施。