淺析化工設(shè)備換熱器的常見(jiàn)腐蝕與防腐

徐志明

（江蘇啟安建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 啟東 226200）

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，國(guó)家工業(yè)技術(shù)水平呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)石油資源的依賴程度相對(duì)增大，各類石油開(kāi)采及生產(chǎn)設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。板式換熱器是石油化工生產(chǎn)中的重要能量交換設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對(duì)化工廠中流體的冷卻作用，即：將較高溫度的流體熱量通過(guò)內(nèi)部的傳熱介質(zhì)傳遞至冷流體部分，從而達(dá)到降低流體溫度的目的，屬于熱交換設(shè)備中的一種。由于水資源的經(jīng)濟(jì)性，目前，非特殊換熱器設(shè)備基本采用水作為循環(huán)冷卻媒介，導(dǎo)致?lián)Q熱器中由于長(zhǎng)時(shí)間高溫作業(yè)而出現(xiàn)不同程度的污垢或水垢的沉積；加上換熱器的工作環(huán)境復(fù)雜，換熱器的材質(zhì)基本是由鋼材進(jìn)行焊接而成，鋼材長(zhǎng)時(shí)間在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，鋼材上的冷熱交換頻率較多，致使90%以上換熱器均是由于內(nèi)部或外部腐蝕造成了其結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重腐蝕后將給石化業(yè)的高效生產(chǎn)及安全作業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。采用更加先進(jìn)的防護(hù)技術(shù)來(lái)降低板式換熱器腐蝕問(wèn)題，成為當(dāng)前石化企業(yè)重點(diǎn)考慮及研究的方向。為此，開(kāi)展了其結(jié)構(gòu)的防腐方法及具體防腐蝕方案研究，并對(duì)防腐處理后的換熱器管束進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證，由此，大大降低了換熱器的腐蝕程度。

一、化工設(shè)備換熱器的常見(jiàn)腐蝕類別

（一）換熱器表面物理磨損腐蝕

在實(shí)際化工生產(chǎn)過(guò)程中，化工設(shè)備換熱器的構(gòu)件幾乎都是金屬的，金屬的硬度高、剛性大，且運(yùn)動(dòng)速度高，金屬零件之間很容易發(fā)生碰撞，導(dǎo)致零件的表面發(fā)生刮碰、磨痕等，這種腐蝕稱為換熱器表面物理磨損腐蝕。氣體、固體顆粒、液體等都是可能會(huì)造成物理磨損腐蝕的介質(zhì)，但是簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，換熱器表面物理磨損腐蝕是由于高速運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)對(duì)換熱器的不斷摩擦以及金屬零件的暴露區(qū)域受到的腐蝕的共同影響，在換熱器的第一層保護(hù)介質(zhì)被磨損后，第二層介質(zhì)很容易會(huì)受到更多因素的影響，給設(shè)備帶來(lái)進(jìn)一步的腐蝕。

由于表面物理腐蝕過(guò)于常見(jiàn)，我國(guó)的各行各業(yè)開(kāi)始逐漸意識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性，在設(shè)計(jì)換熱器零件的過(guò)程中，會(huì)采取一定的措施，防止介質(zhì)進(jìn)入換熱器內(nèi)部。

（二）換熱器應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力出現(xiàn)在接觸表面，通常分為外加應(yīng)力以及殘余應(yīng)力，應(yīng)力的作用對(duì)于換熱器來(lái)說(shuō)是致命的，應(yīng)力容易造成金屬零件的斷裂，一個(gè)金屬零件的斷裂可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)換熱器處于癱瘓狀態(tài)。目前來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕類別分為陽(yáng)極溶解應(yīng)力腐蝕以及氫致開(kāi)裂應(yīng)力腐蝕等，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)力的作用結(jié)合介質(zhì)的腐蝕作用，會(huì)造成換熱器表面的一層氧化膜被干擾最后消失，氧化膜消失后，被破壞的材料和未被破壞的材料將會(huì)形成電池的陰陽(yáng)兩極，電子高速流動(dòng)，導(dǎo)致金屬零件的壽命繼續(xù)縮短，原電池的形成，可能會(huì)造成零件逐漸溶解成液體，造成極大的安全隱患。

（三）換熱器電化學(xué)腐蝕

換熱器在高速工作中，其內(nèi)部流動(dòng)的液體分子將會(huì)處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，防止流體的沉降，但是長(zhǎng)期的工作，仍會(huì)有一部分的分子產(chǎn)生沉降，并且分子是處于不斷運(yùn)動(dòng)中的，工作量少的區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生更多的沉降。受到換熱器內(nèi)部工作原理的影響，經(jīng)常使用的部分沉降較少，工作量小的地方沉降多，這種沉降物不均勻的分布，會(huì)形成一定的縫隙和間距，導(dǎo)致縫隙之間的含氧量不同，并且由于換熱器內(nèi)部的空氣流通，會(huì)引起縫隙之間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，不僅如此，由于縫隙附近的電化學(xué)反應(yīng)速度不同，所以產(chǎn)生的腐蝕面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

二、換熱器防腐蝕方法研究

結(jié)合換熱器的實(shí)際作業(yè)工況及周邊環(huán)境特點(diǎn)，確定了其結(jié)構(gòu)防腐蝕方法，具體包括如下內(nèi)容。

（一）選用耐腐蝕材料

根據(jù)換熱器的使用特點(diǎn)，可對(duì)其結(jié)構(gòu)中腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的材料在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中更換為具有較強(qiáng)耐腐蝕的不銹鋼或合金鋼材料，如換熱器中的管束結(jié)構(gòu)。

（二）噴涂防腐蝕層

由于金屬的腐蝕主要是與石油中腐蝕介質(zhì)進(jìn)行了接觸導(dǎo)致的，故可通過(guò)在關(guān)鍵部位金屬表面噴涂防腐蝕層材料，如防銹油漆、高分子有機(jī)材料等，使其金屬表面形成一層防腐層，隔絕金屬與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，可實(shí)現(xiàn)換熱器地較好防腐要求。

（三）電化學(xué)保護(hù)法

由于電化學(xué)腐蝕為換熱器中的典型腐蝕類型，金屬材料由于失去電子而被氧化，故可對(duì)換熱器中的金屬外接低電源，使得金屬表面形成陽(yáng)極極化，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中出現(xiàn)金屬表面鈍化現(xiàn)象，以此防止材料被腐蝕。

三、化工設(shè)備換熱器防腐措施

（一）增加防護(hù)層，涂刷涂料

針對(duì)于各種類型的腐蝕，都可以采用增加防護(hù)層、涂刷涂料的方式進(jìn)行防腐，使得腐蝕介質(zhì)和換熱器的金屬零件之間產(chǎn)生隔離層，常見(jiàn)的防腐涂料可以分為重防腐涂料、防溶劑涂料、高溫涂料、防油腐蝕涂料等，可以有效地進(jìn)行防腐。在實(shí)際的化工生產(chǎn)過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際的腐蝕類型，合理的選擇涂料種類，有針對(duì)性的解決防腐問(wèn)題。不僅如此，針對(duì)于不同的防腐涂料，不同的生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品效果也會(huì)有所不同，具有較大的性質(zhì)差異，并且質(zhì)量參差不齊。所以，在進(jìn)行涂料的選取過(guò)程中，要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，增加已購(gòu)買的涂料的質(zhì)檢次數(shù)，針對(duì)不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的涂料，要采取“堅(jiān)決不使用”的方式，保證防腐材料的質(zhì)量。在確保防腐涂料的質(zhì)量過(guò)關(guān)后，定期地在換熱器的金屬零件表面刷涂，形成致密的保護(hù)膜，避免換熱器金屬零件與可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕的介質(zhì)接觸，降低換熱器發(fā)生腐蝕的概率，延長(zhǎng)換熱器的壽命。

（二）犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法

顧名思義，犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法就是通過(guò)犧牲原電池的陽(yáng)極，使得陰極得到保護(hù)。由于碳鋼材料是由滲碳體和鐵素體組成的，根據(jù)化學(xué)周期元素表，碳元素的電子電位比鐵低，所以，可能形成原電池，原電池的陰陽(yáng)兩極損耗程度是不同的，往往陽(yáng)極受到的損耗程度高。碳元素作為陰極，鐵元素就成了陽(yáng)極，但是，防腐的目的是使得鐵元素不受到腐蝕，鐵元素的腐蝕產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕，并產(chǎn)生了不可阻止的腐蝕電流。所以，技術(shù)人員往往可以采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在陽(yáng)極表面刷涂一層電位更低的金屬元素，或者連接一個(gè)電位更低的金屬，使得“假陽(yáng)極”受到腐蝕，陰極得到保護(hù)。常見(jiàn)的“假陽(yáng)極”元素是鋁元素，因?yàn)殇X元素較為活潑，且成本低廉。

（三）定期的人工維修檢查

以上采取的兩種方式是必不可少的，同時(shí)，相關(guān)工作人員還應(yīng)該在設(shè)備正常的運(yùn)行中，定期地開(kāi)展維修檢查工作，根據(jù)設(shè)備的腐蝕情況，及時(shí)的清理腐蝕層，涂刷防護(hù)層。這種人工的方式能夠有效地避免換熱器內(nèi)部的沉淀，延長(zhǎng)換熱器壽命，保證機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提升化工生產(chǎn)的質(zhì)量。不僅如此，相關(guān)監(jiān)管人員還應(yīng)制定相應(yīng)的法律法規(guī)和規(guī)章制度，定期地對(duì)培訓(xùn)員工進(jìn)行培訓(xùn)，防止人為因素導(dǎo)致的換熱器腐蝕，并開(kāi)展生產(chǎn)安全教育培訓(xùn)，定期開(kāi)展團(tuán)建，讓員工之間互相交流心得，落實(shí)賞罰分明制度，對(duì)明知故犯的員工予以嚴(yán)懲，對(duì)于長(zhǎng)期工作優(yōu)秀的員工進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。領(lǐng)導(dǎo)層應(yīng)當(dāng)實(shí)行外派，使得企業(yè)員工能夠外出學(xué)習(xí)其他企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，貫徹落實(shí)防腐理念、積極工作、與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新、不斷學(xué)習(xí)，從而提升自身的專業(yè)素質(zhì)水平和綜合素質(zhì)能力，使得防腐理念落實(shí)到每一位員工身上，保障企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

四、換熱器防腐處理方案設(shè)計(jì)

結(jié)合前文所述換熱器防腐蝕方法，確定了具體的防腐蝕方案，包括：電鍍鎳磷合金防腐方案和循環(huán)水防腐處理方案。

（一）電鍍鎳磷合金防腐方案

為實(shí)現(xiàn)換熱器中管束與工業(yè)冷卻水的有效隔離，提高其綜合性能，采用了在管束表面電鍍鎳磷合金的防腐方案。整個(gè)電鍍工藝過(guò)程為：首先對(duì)金屬表面進(jìn)行機(jī)械加工及化學(xué)除油操作，之后通過(guò)熱水洗和清水進(jìn)行洗凈，針對(duì)其表面的銹點(diǎn)問(wèn)題，采用酸洗除銹和酸洗活化方法進(jìn)行操作，最后將電鍍鎳磷合金的管束放置不同高溫條件下進(jìn)行燒灼及冷卻操作。

整個(gè)管束的電鍍鎳磷合金原理為：利用三電極體系的電位掃描方式進(jìn)行操作，三個(gè)電極包括工作電極、參比電極、輔助電極三部分，其中，工作電極為鎳磷合金，參比電極為飽和的管束電極，輔助電極鉑片，上端則選用CH1660E 型恒電位儀，其掃描速度為2mV/s，掃描范圍為-10mV～10mV，主要負(fù)責(zé)對(duì)電鍍過(guò)程中電位進(jìn)行檢測(cè)。

為驗(yàn)證不同高溫對(duì)電鍍層附著性的影響，分別將管束加熱至500℃和700℃進(jìn)行燒灼冷卻處理，觀察管束表面是否出現(xiàn)鼓泡或鍍層脫落現(xiàn)象，兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，兩種實(shí)驗(yàn)條件下的管束表面均未出現(xiàn)鼓泡或脫落現(xiàn)象，表明此種電鍍方法能使管束表面具有較強(qiáng)的附著能力。

表1 管束不同實(shí)驗(yàn)條件下的表面情況

（二）循環(huán)水防腐處理方案

換熱器由于經(jīng)常處于高溫環(huán)境下作業(yè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，導(dǎo)致管束上附著了一定的水垢，此時(shí)循環(huán)水的酸性程度呈逐漸降低趨勢(shì)，循環(huán)水的腐蝕性明顯增強(qiáng)。因此，可在循環(huán)水中添加吸附性藥劑材料來(lái)對(duì)循環(huán)水的Ga+和Mg+等離子進(jìn)行吸附，減少循環(huán)水中的離子濃度，以此改變循環(huán)水的pH 值，降低其對(duì)管束的腐蝕性。按照此方案實(shí)施后對(duì)運(yùn)行3 個(gè)月的循環(huán)水質(zhì)及管束進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)可知，添加吸附藥劑后的循環(huán)水pH值明顯維持在相對(duì)穩(wěn)定范圍，管束表面基本未出現(xiàn)腐蝕情況。由此說(shuō)明循環(huán)水經(jīng)過(guò)軟化處理后，對(duì)管束的腐蝕影響得到明顯好轉(zhuǎn)，說(shuō)明了此防腐工藝方法的可行性。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的化工領(lǐng)域出現(xiàn)的換熱器腐蝕問(wèn)題需要引起相關(guān)從業(yè)人員的重視，并結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)于具體的腐蝕類型，選擇合適的防腐手段，科學(xué)的防腐手段是化工企業(yè)能夠順利生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的前提，直接關(guān)系到企業(yè)的實(shí)際利益。所以，工作人員要設(shè)法提升換熱器的使用壽命，提升換熱器的效率和質(zhì)量，并根據(jù)企業(yè)過(guò)去的防腐經(jīng)驗(yàn)，提升化工設(shè)備換熱器的防腐效率，定期地對(duì)腐蝕類型進(jìn)行總結(jié)和分類，并定期的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，保障我國(guó)化工領(lǐng)域長(zhǎng)期、穩(wěn)定、健康發(fā)展。