循環(huán)水運行對換熱器腐蝕性研究及對策

楊向陽

摘 要：熱交換器是一種將一部分熱量從熱液體傳遞到冷液體，然后再傳遞到熱液體的裝置，也稱為循環(huán)熱交換器。管式換熱器由于技術(shù)先進，維護方便，其廣泛用于各個行業(yè)。由于熱交換器在生活的各個領(lǐng)域中越來越普遍，因此其維護能力正在逐年增加，尤其是由于各種物理和化學(xué)熱交換器會導(dǎo)致各種形式的故障，換熱器會因此損壞。根據(jù)研究，百分之九十的熱交換器損是由于腐蝕的原因，一般的熱交換器由金屬材料制備而成，其一般的熱換器都是在高溫或者高壓條件下運行，并與冷，熱，酸，堿，氣體，液體和物質(zhì)直接接觸并混合。其他用于熱交換的流體，這使得腐蝕的現(xiàn)象變得更加的嚴重。本課題主要研究換熱器產(chǎn)生腐蝕的因素、機理、方法，接著對腐蝕后的物質(zhì)，對其進行取樣、分析。進一步研究換熱器的原理，給出應(yīng)對腐蝕的措施，總結(jié)出換熱器腐蝕的具體解決方案。本文總結(jié)出一種Ni-P腐蝕涂層方法，三層復(fù)合涂層，陽極保護和有機化學(xué)噴涂來控制熱交換器的腐蝕。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水;換熱器;防腐蝕;有機涂層法;化學(xué)法;犧牲陽極法

中圖分類號：TE97 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0132-06

Abstract：Heat exchanger is a device that transfers part of heat from hot fluid to cold fluid and then to hot fluid， also known as the circulating heat exchanger. Tubular heat exchangers are widely used in various industries due to their advanced technology and easy maintenance performance. As heat exchangers become more prevalent in all areas of life， their maintenance capabilities are increasing year by year， especially because of different physical and chemical heat exchange factors， which can lead to different forms of heat exchanger damage. According to the report， 90% of the damage to the heat exchanger was caused by corrosion. Heat exchangers are usually made of metal materials， and most work under high temperature and pressure conditions， and are in direct contact with cold， hot， acid， alkali， gas， liquid and substance directly contact and mix. Other fluids used for heat exchange， which makes the corrosion problem very serious. This topic mainly studies the corrosion reasons， mechanisms and methods of heat exchangers， and then samples and analyzes the corroded substances. Further study the principles of heat exchangers， give measures to deal with corrosion， and summarize specific solutions for heat exchanger corrosion. This paper summarizes a Ni-P corrosion coating method， three-layer composite coating， protective anode and injection of organic chemicals are proposed to control the corrosion of heat exchangers.

Key words：circulating water; heat exchanger; anti-corrosion; organic coating method; chemical method; sacrificial anode method

0 引言

熱交換器在項目中具有廣泛的用途，例如地表空氣冷卻器，空氣加熱器，通風(fēng)項目中使用的風(fēng)機盤管，制冷項目中使用的風(fēng)冷蒸發(fā)器以及無凍冷卻爐[11]等。盡管它們的形狀不同，但是它們本質(zhì)上是用于實現(xiàn)冷液體和熱液體之間的熱交換。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，供暖和通風(fēng)能耗在建筑能耗中所占的比例不斷增加。如何提高采暖通風(fēng)設(shè)備的能效，對于節(jié)約建筑物的能耗非常重要。作為通風(fēng)技術(shù)中的常用設(shè)備，熱交換是節(jié)省設(shè)備能耗的重要組成部分。

但是，在長期使用熱交換器后，會發(fā)生腐蝕和結(jié)垢問題，這不僅會降低其傳熱能力，甚至?xí)拐麄€裝置癱瘓[9]。據(jù)報道，對熱交換器的損壞的90%是由于腐蝕造成的，并且熱交換器的腐蝕很普遍。

1 循環(huán)水對換熱器腐蝕性分析

1.1 循環(huán)水

1.1.1 循環(huán)水腐蝕機理

循環(huán)水對碳鋼的腐蝕是一種電化學(xué)過程。由于碳鋼的結(jié)構(gòu)和環(huán)水表面的不平等，這稱為電極區(qū)域。在其表面上形成許多小腐蝕池，而活性部分成為電極。當(dāng)其和緩蝕部分成為陰極時，稱為陰極區(qū)域[10]。在電極區(qū)域中，鐵被氧化以在水中產(chǎn)生鐵離子，從而在碳鋼基底上留下兩個電子：同時，水中的溶解氧接收兩個電子，這些電子從電極區(qū)域中的電極流出并還原OH-。反應(yīng)如下：

如果水中的溶解氧足夠，F(xiàn)e（OH）2會進一步氧化，產(chǎn)生黃色的鐵銹Fe203·H2O代替Fe（OH）3;如果水中的氧氣不足，F(xiàn)e（OH）2將被進一步氧化為綠色氧化鐵或黑色氧化鐵[15]。

1.1.2 循環(huán)水形成污垢的原理機制

在循環(huán)系統(tǒng)運行期間，各種物質(zhì)沉積在管道和熱交換器上，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為沉淀物。 它們主要由水垢和腐蝕性產(chǎn)品，漿料和生物泥組成 ，以上三類統(tǒng)稱為雜質(zhì)。

（1）循環(huán)水垢的原理。本文研究一些天然的水溶性物質(zhì)，比如一些碳酸氫鹽、硫酸鹽等，一些可溶性碳酸氫鹽，例如Ca（HC03）2，Mg（HC03）2，它們不穩(wěn)定，而且易于分散，會形成碳酸鹽[17]。根據(jù)此原理，如果將碳酸氫鹽含量高的水用作循環(huán)水，則水溫升高時會發(fā)生以下反應(yīng)：

這些微溶于水的鹽很容易在水中達到過飽和并結(jié)晶[1]。當(dāng)循環(huán)的流量相對較低或熱電偶的表面相對粗糙時，容易在表面上沉淀。此外，當(dāng)離子濃度超過產(chǎn)品本身的溶液濃度時，硫酸鈣，硅酸鈣，硅酸鎂[2]等會溶于水在堆積過程中，將形成沉淀并導(dǎo)致管道和熱交換表面。此存款統(tǒng)稱為規(guī)模。由于這些鱗片是致密且相對較硬的，因此也稱為硬鱗片。

（2）循環(huán)水污垢的形成。污垢通常由細顆粒的沙子，灰塵。如果未對原水進行適當(dāng)?shù)奶幚?，則額外的水濁度太高且太細，將膠體材料添加到循環(huán)水中，或者過度腐蝕會增加雜質(zhì)的形成。當(dāng)這樣的水流過熱交換器表面時，由于流速較慢，所以熱交換器表面的表面粗糙，并且易于將其安裝并附著在表面上而形成污垢。

1.2 熱換器

1.2.1 換熱器概述

熱交換器是一種將冷或熱液體的能量傳遞到液體的科技設(shè)備，熱交換器被人們廣泛地使用。在平時，經(jīng)常會見到的精煉爐，汽輪機站的表面密封，大型潤滑系統(tǒng)的冷卻器和太空火箭的油冷卻器[5]。其主要任務(wù)是確保介質(zhì)需要一定的溫度，這也是提高能源效率的主要手段之一。熱交換器可以是特殊的設(shè)備，例如，加熱器，冷卻器和冷凝器。它也可以是該過程中設(shè)備的組成部分，例如在丁二烯工廠中添加鍋爐。

由于制造水平的限制，起初熱交換器的設(shè)計只能采取簡單的結(jié)構(gòu)，并且其傳熱面積非常的小， 板式換熱器出現(xiàn)于1920年，并用于食品工業(yè)。板式換熱器代替管式換熱器具有優(yōu)良的傳熱效果，這種類型的熱換器，其逐漸發(fā)展成為了不同的類型，不同作用的熱換器。在20世紀初期，瑞典首先轉(zhuǎn)向使用了螺旋式的熱交換器[7]。英國還用銅及其溶劑和焊料制造了板式熱交換器，該板式熱交換器用于飛機的熱傳導(dǎo)。在19世紀40年代后期，瑞典為制漿廠生產(chǎn)了第一個記錄和地震開關(guān)。在此期間，人們開始考慮使用新材料進行熱交換，以解決高腐蝕性介質(zhì)的熱交換問題[8]。

1.2.2 換熱器種類

熱交換器有3種不同的分類：混合類型，更新類型、隔板類型。

（1）混合式換熱器。由于兩種液體在混合和熱交換后必須及時分離，因此這種類型的熱交換適用于氣/液熱交換。

（2）蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器，也稱為蓄熱式換熱器，是一種利用冷和熱液體在熱交換器中交替（填充）熱量的熱交換器，

（3）間壁式換熱器。分隔加熱系統(tǒng)中的冷流體和熱流體被固體分隔壁和在分隔壁周圍進行熱交換的熱交換器分隔開，因此它們也稱為表面熱交換器[18]。 這種類型的熱交換器是最常用的， 換熱墻通常用于隔墻。根據(jù)不同的場合和傳熱類型，可分為管式和板式換熱器。

（4）低溫?zé)峤粨Q器。管狀熱交換器由帶有熱交換壁作為軟管的熱交器制成，并分為殼管式，套管式，螺旋式，蛇形和收縮式。

（5）列管式換熱器。其具有結(jié)構(gòu)堅固，適應(yīng)性強和適用材料范圍廣的一系列特點，由于其結(jié)構(gòu)具有一定的特性，它可以是以下類型：①固定管板式換熱器;管板上固定熱管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩種溫度不同的流體在管的內(nèi)部和外部流動，并在分隔壁周圍開始熱交換的操作[25]。本次熱交換器的結(jié)構(gòu)簡單，制造更方便，成本低。在傳熱表面積一定的情況下，外軟管和軟管之間的橫截面非常大。為了提高管道中流體的流速，可以將軟管路徑分為幾個通道。 在進水箱的頂部安裝了一個隔板， 液體僅流過管的一半，因此管被分為兩個方向（請參見圖2）。 如果在兩個隔室中都安裝了分區(qū)，則管道過程可以分為4個過程，6個過程等。②浮頭式換熱器。如圖3所示，另一端板可以在外殼中移動。 未連接到外殼的零件稱為浮動頭。 使用浮頭，您可以拉動浮頭中的驅(qū)動軟管，以使清潔更加容易。 ③U形管式換熱器。U型管熱交換器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于熱和冷的變化，板上的板束可以膨脹和收縮而不會引起溫度差，管中的管通常無需機械手段即可清洗或精制。

當(dāng)然還有很多種類的熱換器，在此不再一一介紹。

1.3 換熱器的失效原因分析

工業(yè)系統(tǒng)（例如石油，碳，鹽和熱電廠）中使用的熱交換器數(shù)量非常多。在制造過程中，由于介質(zhì)接觸隔熱軟管的復(fù)雜性，一般其會有較高的溫度，因此會發(fā)生破裂和腐蝕[10]。修復(fù)和腐蝕一般是聯(lián)系在一起的，修復(fù)不僅僅關(guān)系著產(chǎn)品的正常運行，而且這也成為了行業(yè)中設(shè)備故障的原因之一。

（1）熱交換器的腐蝕和磨損。由于石油生產(chǎn)介質(zhì)通常具有一定的附著力，為防止介質(zhì)沉降和流平，離心速度必須大于2m/s。高速流體，特別是包含固體細小顆粒和氣泡的高速流體，清潔了傳熱表面，導(dǎo)致高達數(shù)十兆帕的局部表面壓力，從而導(dǎo)致金屬表面疲勞，即使設(shè)計無效當(dāng)將軟管拉直或清洗時，在外殼的降落傘上安裝了一塊切割板，如圖5所示。

（2）沉淀物引起的電化學(xué)腐蝕。當(dāng)介質(zhì)流動不均勻或優(yōu)選流動時，容易在熱交換器管的表面上形成沉淀。由于沉積物不穩(wěn)定，不均勻，由于斷裂內(nèi)部和外部的氧氣差異，會在某些部位會形成裂紋和縫隙[7]。同時，一些腐蝕產(chǎn)物的存在，其通常會使得裂紋內(nèi)部與裂紋外部的電化學(xué)反應(yīng)不一致，從而導(dǎo)致更多的腐蝕。

（3）換熱管水側(cè)腐蝕。一般的熱交換器經(jīng)常使用水作為熱交換器，熱交換管表面的腐蝕防護效果需要良好的附著力，散熱性，高耐水蒸發(fā)性。

2 熱換器腐蝕解決方案

2.1 Ni-P合金化學(xué)法

2.1.1 換熱器化學(xué)鍍工藝流程

以捆綁在一起的管式換熱器作為表面柜為例，以獲得較低的多孔表面，出色的粘合力和均勻的涂料表面，鍍層必須嚴格遵循以下過程。流程圖如6所示：

（1）預(yù)制表面處理。檢查工件表面質(zhì)量，例如機械損傷，孔，擠壓，水壩等。并及時處理。使用砂輪或文件焊接痕跡，并使用銳角去除過多的油脂和雜物等。

（2）堿洗。通常要在堿液中浸泡6～8h。

（3）酸洗。通常在制備的鹽酸溶液中進行1h的間隔，一般洗滌的時間為0.5h。

（4）去污。水洗的目的是去除工件表面上的附著物，以使其不包含在下一工序中。

（5）涂裝工藝與管理：①工作條件Ni+濃度：0.09mo1/L，最佳值為0.1mol/L。溫度：850～900℃，最佳溫度為88℃，超過90℃度會導(dǎo)致金屬溶液分解;②在施工過程中應(yīng)迅速確定轉(zhuǎn)向階段，并及時進行調(diào)整，以保持控制系統(tǒng)中涂料溶液成分均勻。③檢查涂料溶液的純度，Ni-P在工件表面的沉淀速率，并通過搖動和攪拌確保金屬溶液的溫度均勻。

（6）封條。清潔工件板后，將其置于密封溶液中，密封孔以增加涂層的耐腐蝕性。

（7）涂裝后的處理。密封后的工件立即放入干凈的水箱中，徹底清洗，干燥和密封。

（8）現(xiàn)場質(zhì)量控制。檢查外觀，外觀為亮白色或半透明銀白色。 目視檢查表面是否光滑無裂紋，扭結(jié)，分層和剝離錯誤。用層厚度測量裝置測量厚度，并將厚度保持在35～50mm。

2.1.2 鍍覆方法

目前，中國的化學(xué)冶金熱交換主要采用電解鍍層和流線型。

（1）熱塑性旋鈕的內(nèi)表面和外表面接受水箱的操作。必須準備基本的洗滌槽，酸洗槽和化學(xué)槽等，并根據(jù)技術(shù)工藝來升高和移動熱交換器[16]。在物料流動期間，必須垂直旋轉(zhuǎn)柱塞。

（2）用臨時頭封閉熱交換器管束的外表面，以進行水箱清洗和水箱鋪設(shè)。

（3）換熱管的內(nèi)表面采用血流法，必須在兩側(cè)安裝一個臨時頭，以與化學(xué)涂料槽，底洗槽，酸洗槽形成循環(huán)。涂料溶液被注入到熱交換器中以分散并在一定時間后改變流量。根據(jù)工藝流程完成，堿洗和化學(xué)噴漆后，必須使用氮氣排放[20]，如圖7所示。

2.2 換熱器開發(fā)工藝

2.2.1 有機熱交換器的一般涂布方法

通常，復(fù)合熱交換器芯是在工廠內(nèi)進行表面處理，多層，加熱和固化的結(jié)構(gòu)。如圖8所示。

根據(jù)技術(shù)規(guī)定，在涂覆前進行表面處理后，對殼側(cè)的表皮進行噴淋，并將該管用于涂覆和噴涂。

2.2.2 實際的涂覆過程

已通過液體測試碳鋼熱交換器的酸化[23]，中和，磷酸鹽處理和干燥，不必在箱上安裝熱交換器。 取而代之的是，酸性罐，中和罐，磷酸鹽罐，水洗罐，泵，閥和熱交換器根據(jù)流動過程通過管道連接起來，形成一個閉路系統(tǒng)[24]。通過在系統(tǒng)中分配治療液[19]可以達到治療目的。也可以先進行噴砂處理，然后進行磷酸鹽處理并消除酸化和中和的需要。如圖9所示。

2.3 換熱器腐蝕防護的其他方法

目前，國內(nèi)外正在采取以下措施來解決熱交換的腐蝕問題：①選擇耐腐蝕材料;②采取保護措施;③將碳鋼與保護涂層一起使用;④批準冷卻水的防腐層;⑤改進設(shè)計;⑥增加冷卻水的pH值。用于熱交換的拋光系統(tǒng)[22]保護過程具有簡單的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，在陰極和電極裝置之間會形成腐蝕電流[17]。使用電極容量小于腐蝕部位的金屬，并且該金屬與腐蝕部位接觸。

換熱器軟管與軟管葉片之間的進行連接。如圖10所示，其是一種使用犧牲極化的減緩腐蝕的結(jié)構(gòu)。

如圖10所示，在熱交換管上放置一個鋅制軸環(huán)[14]，并在熱交換器的管殼側(cè)附近制作一個鋅制軸環(huán)。加入軟管板的厚度一般，則這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生的腐蝕效果，其可以維持一年左右，這種有關(guān)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的最大管厚度，也可以添加鋅管頭[21]。受管道的鋅頭保護的管道金屬板的最大厚度與鋅環(huán)相同。另外，將鎂合金添加到熱交換器中的快速方法還可以保護管熱的腐蝕[17]。如圖11所示。

2.4 防腐結(jié)果分析

樣品管的接觸面和內(nèi)壁，如圖12、圖13所示。其中，圖12是管外壁上的孔，圖13是內(nèi)管的表面。

2. 5 采用措施后的效果

在實際情況中，由于通常沒有熱交換器，因此我們只能使用以下易于使用的方法：①減少裂解氣中的液體量，并優(yōu)化工藝;②對涂層采用陰極保護的方法;③在對應(yīng)的物質(zhì)中加入一定量的有機緩蝕劑，以間接熱交換方式將夾套側(cè)封，效果方案如圖14所示：在采取了上述措施之后，效果十分明顯，并基本達到了預(yù)期的效果。

3 總結(jié)

在文中，已經(jīng)檢查和分析了裂解裝置熱交換器的腐蝕條件，并且認為所有化工廠中熱交換器的腐蝕的方式比較類似，通過研究發(fā)現(xiàn)。熱交換器的腐蝕可以分為以下的兩種類型：

（1）通過化學(xué)反應(yīng)物的沉淀作用而導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕。

（2）通過物質(zhì)的熱應(yīng)力和應(yīng)力作用而引起的應(yīng)力腐蝕。

加熱系統(tǒng)的常用腐蝕方法，并添加了以下內(nèi)容：

（1）使用腐蝕性材料：使用腐蝕性材料，如不銹鋼，鋁銅等。

（2）在壓板上進行Ni-P電鍍：熱交換器的整體護套形成鎳磷金屬層和陰極涂層可在蝕刻劑的機械隔離中發(fā)揮作用。

（3）三層復(fù)合涂層方法：基于鎳熒光粉涂層，在一定的鎳-磷金屬涂層上形成一種特殊的金屬化合物的中間層，并使用該中間層將某些有效的有機化合物與鎳-磷鋁結(jié)合在一起，化合物的化合物被合并為一個，三層復(fù)合被打斷，以達到現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（4）有機涂層方法：依據(jù)一定的工藝在熱交換器的金屬表面（冷卻水側(cè)），光滑的表面水性樹脂涂料可有效保護金屬。但是，油漆的保護作用是有限的，在維護過程中很容易脫落。

（5）電化學(xué)保護方法： 基本上，大型熱交換器使用外部保護裝置來防止電源損壞，而小型熱交換器通常使用電極保護裝置，這可以減慢熱交換器的腐蝕。

（6）注入腐蝕抑制劑：腐蝕抑制劑可能會延遲已發(fā)生的腐蝕速率。

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