管板式水冷換熱器腐蝕內(nèi)漏原因分析及控制措施

方大偉

（大慶煉化公司潤(rùn)滑油廠，黑龍江 大慶 163411）

對(duì)于管板式換熱器管束腐蝕內(nèi)漏進(jìn)行原因分析，提出防腐措施及解決內(nèi)漏方案，確保換熱器長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 原料水冷器的運(yùn)行狀況概述

酮苯脫蠟裝置原料水冷器于1997年安裝投產(chǎn)，殼層介質(zhì)為減二減三線蠟油,操作溫度70℃；管層介質(zhì)為循環(huán)水，并且殼層壓力隨套管結(jié)晶機(jī)壓力在1.6～3.6MPa變化，管板材質(zhì)為16MnR管束材質(zhì)為10#鋼。2006年7月，對(duì)該五流原料水冷器芯子整體更換。2013年裝置停工大檢修后，5臺(tái)換熱器在一年時(shí)間內(nèi)均發(fā)生過(guò)管束腐蝕內(nèi)漏嚴(yán)重影響裝置生產(chǎn)現(xiàn)象，下面對(duì)酮苯裝置原料水冷器腐蝕原因進(jìn)行分析。

2 管束內(nèi)漏原因分析

檢修過(guò)程拆開(kāi)換熱器管箱、小浮頭后，發(fā)現(xiàn)換熱器管束內(nèi)有較多黏泥、鐵銹，尤其芯子上部管束堵塞、腐蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重。對(duì)換熱器清洗后，發(fā)現(xiàn)管板表面有較嚴(yán)重的腐蝕，最深處達(dá)1mm左右，管束與管板環(huán)焊縫處有嚴(yán)重的腐蝕跡象，局部管子端部減薄嚴(yán)重，在檢修試壓堵管時(shí)個(gè)別換熱器堵管率已超30%，嚴(yán)重影響換熱效率，并對(duì)換熱器芯子做整體更換處理。經(jīng)分析，原料水冷換熱器腐蝕內(nèi)漏原因如下。

2.1 垢下腐蝕

原料水冷換熱器長(zhǎng)期投用以來(lái)，由于管層循環(huán)水流速較低，在管束內(nèi)壁及管箱浮頭處造成結(jié)垢和黏泥的沉積，并且在循環(huán)水中含有一定量的氯化鎂(MgCl2)和氯化鈣(CaCl2)時(shí)，在沉積物下的氯化鎂、氯化鈣在循環(huán)水與介質(zhì)換熱過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)形成氫氧化鎂和氫氧化鈣以及鹽酸(HCl)，使pH值下降，對(duì)鋼材形成酸腐蝕。另外，我廠循環(huán)水系統(tǒng)加藥劑量根據(jù)全公司循環(huán)水廠總體平衡的，導(dǎo)致我們第三循環(huán)水廠中加入聚合磷酸鹽緩蝕劑，該劑與鈣離子反應(yīng)生成氧化亞鐵，也就是鐵銹，加劇垢下物的聚集，由于長(zhǎng)期在高溫環(huán)境作用下，垢層加厚影響換熱效果，如果金屬表面有長(zhǎng)時(shí)間存在堅(jiān)硬、致密的水垢時(shí)，鋼材極易發(fā)生點(diǎn)腐蝕和溶解氧腐蝕，兩種腐蝕交叉引起進(jìn)一步腐蝕加劇，形成惡性循環(huán)。換熱設(shè)備結(jié)垢和腐蝕，給化工生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。它使得傳熱效率下降，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，水力阻抗增加，動(dòng)力消耗增多，造成能源的極大浪費(fèi)。

2.2 磨損腐蝕

原料水冷器殼層介質(zhì)為減二減三線原料油水冷器直接與原料泵出口相連壓力達(dá)3.2MPa進(jìn)入換熱器流速過(guò)高，高速流體在進(jìn)入換熱器入口處形成渦流，加劇對(duì)管束及內(nèi)壁的沖刷造成渦流磨損腐蝕，特別是在換熱器高溫介質(zhì)入口端的40～50mm處的管端腐蝕，這主要是由于流體在死角處產(chǎn)生渦流擾動(dòng)有關(guān)，但一方面，隨著腐蝕速率的增大，沖刷渦流磨損也加快。磨損率通常隨腐蝕性增強(qiáng)而變大，在耐腐蝕保護(hù)膜的生成速度小于沖刷磨損速度則將發(fā)生較嚴(yán)重的渦流磨損腐蝕。沖刷渦流擾動(dòng)也對(duì)金屬表面已經(jīng)生成的腐蝕產(chǎn)物的機(jī)械沖刷作用使其脫離，同時(shí)對(duì)新裸露金屬表面繼續(xù)與腐蝕環(huán)境繼續(xù)接觸，進(jìn)而加劇交替侵蝕的綜合作用。

2.3 應(yīng)力及電化學(xué)腐蝕

在換熱器管束管子與管板多采用脹焊連接并且管子與管板的接口采用強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹因苛刻工況下產(chǎn)生脹力松弛而形成縫隙或應(yīng)力，縫隙內(nèi)介質(zhì)濃度高于殼層側(cè)介質(zhì)濃度，產(chǎn)生縫隙腐蝕；已脹段和未脹管間過(guò)渡區(qū)，況且，我廠裝置換熱器內(nèi)管束內(nèi)外壓差達(dá)到最高時(shí)35kg差值（裝置每月工藝大化套管時(shí)），管子內(nèi)外壁存在較大拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂；管子與折流板處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，加之間隙存在，腐蝕介質(zhì)濃聚，其結(jié)合部位易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。這種破壞常常起源于微小的裂紋，然后，深深穿透材料，最后導(dǎo)致泄漏或穿孔。由于它發(fā)生在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，而且在使用過(guò)程中突然、無(wú)征兆地發(fā)生，因此，應(yīng)力腐蝕破壞被認(rèn)為是極其嚴(yán)重的一種破壞模式。殼體焊縫及熱影響區(qū)在高溫、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下，焊接質(zhì)量不好更易發(fā)生腐蝕。殼體與折流板材質(zhì)的電解電位不同，折流板材質(zhì)的電位高于殼體，殼側(cè)介質(zhì)為電解質(zhì)，殼體內(nèi)壁因此受電化學(xué)腐蝕。管殼層介質(zhì)中帶有一定活性陰離子(Cl－)，它首先被吸附在金屬表面某點(diǎn)上，對(duì)氧化膜產(chǎn)生破壞作用，在被破壞的局部形成電偶的陽(yáng)極，而未被破壞的部分就成為陰極，于是，形成鈍化—活化腐蝕電池。由于陽(yáng)極比陰極面積小得多，陽(yáng)極電流密度很大，很快就腐蝕成小孔。與此同時(shí)，氯離子隨著腐蝕電流的流動(dòng)向小孔遷移，使小孔形成金屬氯化物的高濃度溶液。這種溶液可使pH值下降到3，使這種溶液酸化，這種酸性和氯離子加速了金屬的陽(yáng)極溶解，小孔腐蝕深度不斷增加，造成設(shè)備腐蝕泄漏，應(yīng)力與電化學(xué)腐蝕綜合作業(yè)下腐蝕會(huì)進(jìn)一步的加劇。應(yīng)在施工時(shí)消除焊接殘余應(yīng)力，防止應(yīng)力的疊加，降低應(yīng)力水平，在材料方面考慮采用高合金鋼或用其作為防護(hù)層，可以降低應(yīng)力及電化學(xué)腐蝕的敏感性。

3 應(yīng)對(duì)腐蝕的措施及解決方案

（1）嚴(yán)格控制減二減三蠟油原料及循環(huán)水中氯離子的含量，加強(qiáng)對(duì)脫氯效果的檢測(cè)，避免因脫氯效果下降導(dǎo)致后續(xù)物料中氯離子高引起換熱器腐蝕加劇。采用脫氯劑可以有效緩解含有HCl的原料或產(chǎn)品造成的腐蝕。采用脫氯劑要注意監(jiān)測(cè)和計(jì)算氯容的變化，當(dāng)脫氯劑的計(jì)算氯容接近脫氯劑的穿透氯容時(shí)要及時(shí)更換脫氯劑，以免脫氯劑失效造成腐蝕。

（2）在經(jīng)濟(jì)成本允許條件下，選擇耐腐蝕設(shè)備材質(zhì)。雖然采取工藝措施能減輕設(shè)備的腐蝕，但并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。設(shè)備材質(zhì)升級(jí)也是防腐措施之一，針對(duì)上述原因分析，應(yīng)選擇采用耐腐蝕的高鎳鋼材質(zhì)來(lái)替換原10#鋼。

（3）消除殘余應(yīng)力的影響也是防止穿晶型應(yīng)力腐蝕破裂的有效方法。因此，有效地消除制造加工或其他原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，與正確選材同等重要。管束在制造時(shí)沒(méi)有消除殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響其使用壽命。采購(gòu)管束時(shí)，要求確認(rèn)在制造中對(duì)換熱管束進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力。

（4）在日常生產(chǎn)中，避免工藝操作波動(dòng)，減少介質(zhì)渦流湍流的形成，在原料蠟油出口壓力上漲時(shí)，及時(shí)進(jìn)行大化套管操作以降低殼層壓力的上升減小管殼層的壓力差，避免因?yàn)閴翰钸^(guò)大壓穿腐蝕減薄處的換熱管。

（5）加強(qiáng)原料水冷換熱器循環(huán)水的查水工作要求一個(gè)循環(huán)班最少查水三次，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水中帶蠟應(yīng)及時(shí)切除原料水冷器，避免污染整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)并及時(shí)對(duì)換熱器進(jìn)行檢修處理，同時(shí)，通知給排水車間及時(shí)根據(jù)水樣調(diào)整加藥劑量和品種，做到科學(xué)預(yù)防。