氯乙烯生產(chǎn)裝置中循環(huán)冷卻水對(duì)換熱器的腐蝕及防護(hù)措施

楊重杰 李鑫

摘 要：我公司冷卻水介質(zhì)主要已循環(huán)水為主，本文著重對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)檢測(cè)、預(yù)測(cè)及設(shè)備的防護(hù)、泄漏原因進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水;腐蝕;泄漏;防護(hù)

1 氯乙烯生產(chǎn)裝置換熱器運(yùn)行概況

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為碳鋼的管束，管束和管板連接處腐蝕嚴(yán)重，有的地方已經(jīng)形成腐蝕坑，甚至腐蝕穿透，腐蝕物為棕紅色，穿孔方向由管內(nèi)向管外發(fā)展，大多數(shù)管束與管板連接方式采用焊接或脹焊結(jié)合，此連接方式存在不足，管束與管孔之間存縫隙，焊接過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，而且縫隙中聚集大量氯根又處于貧氧狀態(tài)，極易發(fā)生縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕，操作不當(dāng)和水流擋板的脫落行成水擊現(xiàn)象造成管束震動(dòng)行成剪切力，輕微磨損管壁，嚴(yán)重時(shí)切斷列管造成換熱器發(fā)生泄漏，每年裝置大檢修時(shí)更換換熱器管束，補(bǔ)焊管板及清洗換熱器列管占據(jù)重要部分。

2 循環(huán)冷卻水現(xiàn)狀

氯乙烯生產(chǎn)裝置中的循環(huán)冷卻水主要由動(dòng)力車(chē)間間冷開(kāi)式輸送系統(tǒng)輸送，經(jīng)過(guò)5臺(tái)循環(huán)水冷卻風(fēng)機(jī)塔冷卻至15.50～30℃，通過(guò)3臺(tái)循環(huán)水泵將冷卻水增壓至0.5～ 0.65MPa，以每小時(shí)16000～20000m3/h水流量送至各車(chē)間，我公司位于托克遜縣屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，年均風(fēng)速8m/s素有“風(fēng)庫(kù)”之稱(chēng)，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)為開(kāi)式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，固體顆粒及灰塵夾渣到風(fēng)中帶到冷卻水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，且部分換熱器在20m～30m的高處放置，行成壓降導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部流速過(guò)低造成污垢堵塞列管。我公司開(kāi)式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)主要給6大車(chē)間，大約給35臺(tái)換熱器換熱降溫，隨著循環(huán)水不斷的循環(huán)利用，各車(chē)間換熱設(shè)備內(nèi)部走的換熱介質(zhì)各不相同，設(shè)備輕微泄漏都會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)的變化，又由于設(shè)備材質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同、設(shè)備放置位置高低不同，造成水流速不同等影響換熱效率，循環(huán)冷卻水中溶解各種離子和氧氣，其中氯離子和氧濃度的變化，水質(zhì)的pH值變化，都能造成設(shè)備使用壽命的降低，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)變化，成為防止換熱器泄漏的一種重要手段。

3 垢下腐蝕

我公司建設(shè)在托克遜縣魚(yú)兒溝，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，年均風(fēng)速8m/s素有“風(fēng)庫(kù)”之稱(chēng)，常年刮風(fēng)導(dǎo)致循環(huán)冷卻水較臟，本文著重分析垢下腐蝕對(duì)設(shè)備造成的損傷，經(jīng)取樣分析換熱器列管內(nèi)的銹垢層的沉淀物主要分為三大類(lèi)，第一類(lèi)為腐蝕產(chǎn)物，如Fe2O3、Fe2O4、FeOOH、FeCO3、FeS等，第二類(lèi)產(chǎn)物為無(wú)機(jī)鹽垢CaCO3、CaSO4、BaSO4等還存在一些泥沙、粘土、腐殖物等懸雜物，第三類(lèi)為微生物的粘液，主要由細(xì)菌、藻類(lèi)等微生物以及它們分布的粘液混合在一起，行成的凝膠狀團(tuán)塊沉淀物。通常產(chǎn)生的垢下腐蝕形態(tài)為銹瘤狀，剝離垢層后會(huì)發(fā)現(xiàn)，金屬表面已嚴(yán)重受到腐蝕、形成蝕坑，隨著腐蝕的不斷侵蝕，腐蝕坑不斷得深入，直至穿孔。垢下腐蝕與垢層組成和分布形態(tài)有關(guān)，金屬表面形成不連續(xù)的垢層將會(huì)產(chǎn)生垢下腐蝕，即使形成連續(xù)性的垢層，也有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的垢下腐蝕。如果金屬表面垢層是連續(xù)致密的，可能抑制金屬的腐蝕。但是許多的垢層是多孔不均勻的，垢層自身也可能成為陰極促進(jìn)腐蝕反應(yīng)，因此垢下腐蝕可能是全面腐蝕也可能是局部腐蝕。金屬表面覆蓋銹垢后，形成相對(duì)閉塞的環(huán)境，垢下腐蝕坑處于閉塞狀態(tài)，腐蝕坑與外界物質(zhì)交換形成很大阻礙，產(chǎn)生內(nèi)外介質(zhì)的電化學(xué)的不均勻性，因此隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，垢層下形成貧氧區(qū)，將于垢層外部本體部分形成宏觀的氧濃差電池，通常腐蝕垢層具有陰離子選擇性，垢層氧離子難以擴(kuò)散到外部，隨著Fe2+的積累，造成正電荷過(guò)剩，促使Cl-遷入以保持平衡，金屬氯化物的水解使垢層下環(huán)境酸化，進(jìn)一步加速腐蝕。

4 換熱器的失效

管箱體內(nèi)部泄漏：管板與折流板連接不緊密，管束、管板與管箱蓋板之間密封泄漏，隔板與殼體焊接處焊接缺陷泄漏;管板與管束連接處泄漏：常用的換熱器管束和管板連接形式主要有三種方式脹接、焊接、脹接和焊接結(jié)合。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，先脹接后焊接存在的缺陷最大，由于前期脹接過(guò)程中留下的油污，不可能在焊接前全部處理干凈，造成焊接時(shí)此處殘留的油污迅速汽化造成焊縫缺陷，由于焊接、脹接存在應(yīng)力，很容易在管板脹接、焊接處發(fā)生裂痕;管束的震動(dòng)：換熱器的流體流速一般較高，由于流體的脈沖和流動(dòng)都會(huì)造成換熱器列管的震動(dòng)，尤其是在開(kāi)車(chē)過(guò)程中的提量、提壓操作較快時(shí)，很容易引起換熱器列管的震動(dòng)，特別是隔板處，管子震動(dòng)頻率較高，容易磨管壁，嚴(yán)重時(shí)能剪切斷。

大多數(shù)的冷卻器水側(cè)走管程，因水中含大量的鈣、鎂離子和碳酸鹽，當(dāng)其流經(jīng)傳熱金屬表面是發(fā)生如下反應(yīng)：

Mg2++2HCO3→Mg（OH）↓+2CO2

Ca2++2H2CO3→H2O+CO2+CaCO3↓

我公司主要對(duì)水中加入聚合磷酸鹽作為緩蝕劑，當(dāng)加入磷酸鹽時(shí)存在以下反應(yīng)：

3Ca2+2PO2-→Ca（PO4）2↓

溶解在冷卻水中的氧還能總成金屬腐蝕，行成鐵銹，反應(yīng)如下：

2Fe2-+2H2O→Fe（OH）2↓

反應(yīng)的結(jié)果是在傳熱面上逐漸結(jié)垢，同時(shí)伴有鐵銹的生成，水垢的存在易造成換熱列管內(nèi)部產(chǎn)生垢下腐蝕，使管壁內(nèi)表面氧化膜缺氧而破壞，水對(duì)金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，腐蝕電池陰極反應(yīng)主要是氧氣的還原，陽(yáng)極的反應(yīng)主要是鐵的陽(yáng)極溶解。

2Fe+2H2O+O2→2Fe（OH）2↓

腐蝕時(shí)生成氫氧化亞鐵從溶液沉淀出來(lái)，這種亞鐵化合物在含氧的水中是及其不穩(wěn)定的，它將進(jìn)一步氧化生成氫氧化鐵。

2Fe（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3↓（銹）

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中垢層和鐵銹層是同時(shí)產(chǎn)生的，金屬表面結(jié)的銹層與垢層叫銹垢層。在水與鐵接觸的表面上，有一層附著在騎上的不流動(dòng)的薄水層，流速增大，則水層變得更薄。通過(guò)該水層水中的氧的擴(kuò)散和補(bǔ)給就更容易，因而促進(jìn)銹蝕。但是在一定的范圍內(nèi)，流速在增加，氧的供應(yīng)量繼續(xù)增加，則鐵的表面會(huì)出現(xiàn)氧氣過(guò)剩，造成腐蝕速率趨于鈍化，反而使銹蝕速率降低。流速持續(xù)增加水流就會(huì)發(fā)生絮流現(xiàn)象，造成汽蝕。

5 防止措施

我公司針對(duì)循環(huán)水水質(zhì)管理，嚴(yán)格執(zhí)行《GB/T50050工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)的管理要求，建立2臺(tái)在線水質(zhì)分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，并以質(zhì)檢中心每?jī)商煲淮蔚乃|(zhì)取樣分析數(shù)據(jù)相輔，重點(diǎn)監(jiān)控水質(zhì)變化，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)加大取樣分析頻次，查找水質(zhì)波動(dòng)原因制定專(zhuān)項(xiàng)措施，并加相對(duì)應(yīng)的藥劑進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。

放置位置較高的換熱器循環(huán)冷卻水壓降損傷嚴(yán)重，水流速較慢污垢堵塞列管?chē)?yán)重，換熱效果較差，且檢修清洗頻繁有時(shí)無(wú)法滿足生產(chǎn)所需，對(duì)于壓降高的地方新增全凝蒸發(fā)式空氣冷卻器進(jìn)行將溫，投用后效果極佳，檢修頻次大大降低，檢修及設(shè)備維修所產(chǎn)生的費(fèi)用降低20%。

嚴(yán)格管理塔池出口濾網(wǎng)，防止雜物及填料堵塞水冷器，建議在循環(huán)水泵進(jìn)口處加裝兩臺(tái)過(guò)濾器，一開(kāi)一備定期清理，根據(jù)換熱介質(zhì)氣相進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)的變化，制定羅列出年度裝置檢修需高壓水射流清洗的換熱器清單，待裝置檢修時(shí)進(jìn)行物理清洗。

積極推廣換熱器防腐技術(shù)，一是涂層防腐，即利用涂料把介質(zhì)與換熱器基本隔離，中斷其化學(xué)與電化學(xué)腐蝕途徑，二是鍍層防腐，即利用電鍍或化學(xué)鍍工藝在換熱器基體表面沉淀一層致密的耐腐蝕金屬或合金來(lái)抵抗介質(zhì)的腐蝕。三是電化學(xué)保護(hù)，即改變組成設(shè)備金屬的電極電位而不被其腐蝕。四是滲層保護(hù)，即利用熱處理的方法將合金元素?cái)U(kuò)散到金屬表面，使之合金化。五是換熱器本身選擇耐腐蝕材料。六是采用熱噴涂技術(shù)。七是設(shè)立專(zhuān)職人員管理，建立水冷設(shè)備檔案，每次大修組織相關(guān)人員對(duì)水冷器的腐蝕、結(jié)垢、粘泥等狀況檢查記錄和存檔，并借助公司HAZOP小組成員力量進(jìn)行組織分析。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)換熱器比較系統(tǒng)全面的失效分析，找出延長(zhǎng)換熱器使用壽命的方法，為換熱器創(chuàng)造更好的運(yùn)行條件，減少故障率，為裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧天杰.換熱器泄漏原因分析及對(duì)策[J].河北化工，2010 （33）.