管殼式換熱器腐蝕及防腐措施研究

那俊義

（大慶石化公司，黑龍江 大慶 163000）

企業(yè)在日常管理中，會使用到管殼式換熱器，這種類型的換熱器在應用中的效果非常好，但是一定要將防腐措施切實地落實到位。管殼式換熱器在運行時一旦出現(xiàn)了問題，將會直接影響生產(chǎn)，嚴重的情況會導致爆炸事故的發(fā)生。企業(yè)將會遭受巨額的經(jīng)濟損失，而工作人員的生命安全也會受到威脅。

1 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器又稱為列管式換熱器。屬于在管殼中封閉管束壁面是傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器的優(yōu)勢為結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、流通截面比較寬、方便清洗。缺點是傳熱系數(shù)相對較差、體型龐大。管殼式換熱器可以采用任何材料進行制造，并能夠在高溫和高壓環(huán)境下使用，屬于應用廣泛的類型。管殼式換熱器的類型有固定管板式汽—水換熱器、波皮型管殼式汽—水換熱器、分段式水—水換熱器。管殼式換熱器的控制參數(shù)包括加熱面積、熱水流量、換熱量、熱媒參數(shù)等。管殼式換熱器主要組成部分有殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等。殼體的形狀一般是圓筒形，在殼內(nèi)安裝管束，將管束的兩端在管板上進行固定。換熱的冷熱有兩種流體，分別在管內(nèi)進行流動的流體稱為管程流體；在管外流動的流體稱為殼程流體。在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的擋板可以在一定程度上使管外流體的傳熱分系數(shù)得以提高。擋板能夠使殼程流體的速度有所提高，使得流體能夠按照一定的路程以橫向運行的方式路過管束，從而使流體湍流的速度有所增加。在管板上，換熱管以等邊三角形或正方形的方式進行排列。等邊三角形排列的方式相對比較緊致，管外流體湍動程度比較高，傳熱分系數(shù)相對較大，而正方形排列順序便于管外清洗，對于容易結(jié)垢的流體比較適用。

管程指的是流體每次經(jīng)過管束的過程。殼程指的是每次經(jīng)過殼體的過程。在兩端管箱之內(nèi)安裝隔板，以此提高管內(nèi)流體的速度。將所有的管子分成多個組。流體每次只能通過一部分的管子，這樣可以在管束中來回往返數(shù)次，這樣的過程成為多管程。同理，在殼體之內(nèi)設(shè)置縱向的擋板，可以使管外流速有所提高，使得流體在殼體空間能夠經(jīng)過多次，這種過程稱為多殼程。多管程和多殼程要相互配合使用。管內(nèi)外流體的溫度會有所不同，換熱器的殼體與管束的溫度也會不相同。如果兩種溫度的差額比較大，換熱器內(nèi)會形成很大的熱應力，進而使管子彎曲、斷裂，還有可能在管板上出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象。所以，管束與殼體之間的溫度差額如果超過50℃時，要采取適當?shù)奶幚矸绞郊把a償措施，以此對熱應力進行消除或減少。

根據(jù)采取的補償措施，管殼式換熱器分為以下幾種類型。

固體管板式換熱器。管束兩端的管板和殼體連接在一起，形成一個整體，結(jié)構(gòu)相對簡單。適用于冷熱流體溫度差，殼程不適用機械清洗過程的換熱操作。當溫度差額比較大，但是殼程的壓力低的時候，可以在殼體上面設(shè)置具有彈性功能的補償圈，以此在一定程度上使熱應力有所減低。

浮頭式換熱器。管束的一端管板可以不受約束地進行浮動，熱應力全部被消除了；并且全部管束可以從殼體內(nèi)取出來，非常方便地進行機械清洗和進行檢修。浮頭式換熱器的應用比較廣泛，但是結(jié)構(gòu)相對復雜，造價高昂。

U型管式換熱器。每根換熱管都是可以彎成U形，兩端同時固定在同一管板的上下兩區(qū)依托于管箱內(nèi)的隔板，將其分成進出口兩個室。這種換熱器徹底將熱應力消除了，相較于浮頭式更加簡潔，但是，管程非常難清洗。渦流熱膜換熱器。這種技術(shù)采用的是最新的渦流熱膜傳熱技術(shù)。以改變流體運動狀態(tài)為主，以此使傳熱效果有所增加。渦流管表面有介質(zhì)經(jīng)過時，會對管子表面進行強力的沖刷，以此對換熱效率有所提高。這種結(jié)構(gòu)具有耐腐蝕性、耐高溫性、耐高壓性以及防結(jié)垢的功能。

管殼式換熱器的特點：具有高效節(jié)能性；全部都是不銹鋼制作，使用生命周期比較長。將層流方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞣绞?，使換熱效率有所提升，熱阻在一定程度上有所減少。換熱速度相對比較快，具有耐高溫性和耐高壓性。結(jié)構(gòu)比較緊致，體型比較小，重量輕，安裝非?？旖?，在一定程度上使土建資源有所節(jié)省。設(shè)計相對靈活，規(guī)格比較齊全，使用具有針對性，節(jié)約資金成本。應用條件相對較寬廣，能夠適應壓力大、溫度范圍以及交換多種介質(zhì)。維修費用低廉，操作簡便。清垢的時間比較長，易于清洗。采用的是納米熱膜技術(shù)，使傳熱系數(shù)明顯升高。應用領(lǐng)域比較廣泛，可以應用在熱電、廠礦、石油化工、城市集中供熱、食品醫(yī)藥、能源電子、機械輕工等。傳熱管在外表面使用的是軋制翅片的銅管，導熱系數(shù)比較高，換熱的面積比較大。導流板將殼程流體進行引導，使換熱器內(nèi)的流動呈現(xiàn)出折線形連續(xù)性，根據(jù)流速對導流板間距進行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)比較堅固，可以使流量或者是超大流量、脈動頻率比較高的殼程流體的換熱需求進行滿足。殼體流體是油液的時候，黏度低和比較容易清潔的油液換熱比較適用。

2 管殼式換熱器的腐蝕原因

2.1 氯離子影響

在實際應用過程中，管殼式換熱器會受到諸多因素的影響，這些因素會使換熱器的運行不穩(wěn)定，嚴重的情況會使其發(fā)生安全事故。氯離子的影響是影響管殼式換熱器出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的原因之一。氯離子是一種非常普遍的介質(zhì)，這種介質(zhì)自身就有極強的腐蝕性能，對于碳鋼或者含有合金特征的金屬的腐蝕性更加嚴重。在實踐過程中，可以采用不銹鋼或者碳鋼材質(zhì)制作管殼式換熱器。這種材質(zhì)在具體應用中會逐漸形成循環(huán)性的水系統(tǒng)，在管殼式換熱器的應用中，要嚴格控制氯離子的含量，這樣才能從根本上杜絕腐蝕的現(xiàn)象。

2.2 溫度影響

以管殼式換熱器在正常運行中的研究分析發(fā)現(xiàn)，溫度的影響也可以導致管殼式換熱器產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。這種腐蝕現(xiàn)象主要體現(xiàn)在循環(huán)水自身的溫度持續(xù)上升時，那么這時的電導率也隨之有所增加，從而導致電極的反應速度過快?；诖朔N情況，諸多因素都會呈現(xiàn)出上升趨勢，那么，水的對流和其對應的擴散問題也會升高。這樣會直接導致氧氣和金屬表面之間的擴散速度增加，同時，還會使換熱器自身的腐蝕性問題加劇。

2.3 設(shè)計原因

管殼式換熱器在進行換熱的過程中，冷熱兩種流體的流道選擇要注意：首先，要及時清理不干凈或者易形成污垢的管程，要及時將管內(nèi)進行有效清理。其次，在管程中通過腐蝕性流體。這樣可以對管束和殼體的腐蝕現(xiàn)象加以預防。再次，具有高壓性流體或者容易聚合的流體要在管程中經(jīng)過。無論何種污垢特征均要在管側(cè)內(nèi)設(shè)置。

2.4 水質(zhì)原因

經(jīng)過除氧后的中性水，才能注入采暖系統(tǒng)進行循環(huán)使用。在此環(huán)境中，氧氣是最嚴重的腐蝕性介質(zhì)。在沒有氧氣含量的中性水里，系統(tǒng)中含有金屬表面中的鐵原子會變成二價離子。如果水中存在氧氣，鐵離子、水會氧化成氫氧化鐵，而氫氧化鐵是不溶于水的。在沉積作用影響下，在陽極周圍的鐵離子會向水溶液中轉(zhuǎn)入，這樣使得管殼式換熱器的腐蝕性有所加強。

2.5 振動原因

在實際應用中，管殼換熱器中的折流板的原因，流體是橫向操作的。大型化的設(shè)備裝置和課程流動速度加劇，橫向流會使換熱器的振動現(xiàn)象增加。主要體現(xiàn)在管子和周圍或者臨近管子、折返流板空內(nèi)壁會有一些撞擊發(fā)生，繼而使管子受到一定的磨損。

2.6 管理原因

采暖系統(tǒng)在運行時，工作人員并沒有制定相應的加藥制度，這樣一來，循環(huán)水中的腐蝕性、污垢累積、微生物和藻類的生長長期受到失控的影響，直接導致?lián)Q熱器和其他換熱設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象非常嚴重。除此之外，在初期采暖系統(tǒng)停止時，如果沒有及時保養(yǎng)和維護換熱器，換熱器始終置于完全封閉的條件中，一旦遇到大量的空氣，系統(tǒng)的腐蝕性會加劇。

3 管殼式換熱器的防腐措施

3.1 工藝防腐

要想從本質(zhì)上保證管殼式換熱器的安全性和穩(wěn)定性，一般情況下，要與實際情況相結(jié)合，做到具體問題具體分析。要有針對性的措施，對管殼式換熱器的腐蝕現(xiàn)象進行處理。工藝防腐是比較常用的防治措施，在實際應用中，通過使用脫鹽、注堿的方式，對防腐物質(zhì)進行控制，要將腐蝕物質(zhì)控制在最小的范圍，以此保證管殼式換熱器運行的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 加強設(shè)備材質(zhì)

在具體問題具體分析后，就會發(fā)現(xiàn)，實際上存在諸多因素能夠?qū)е鹿軞な綋Q熱器的腐蝕現(xiàn)象增多。因此，如果只是單純地采取一些不銹鋼材質(zhì)，對于防腐的基本要求恐怕難以滿足。在這樣的環(huán)境下，一定要結(jié)合具體的實際原因，對防腐現(xiàn)象問題進行綜合分析以及合理有效地解決，還可以采用一些性能好的防腐材料，在運行過程中，保護管殼式換熱器。

3.3 采用防腐表面工程技術(shù)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，可以結(jié)合一些比較先進的技術(shù)手段，以此對管殼式換熱器的腐蝕性問題進行解決和處理。利用先進的技術(shù)手段，在管殼式換熱器的表層，有針對性地設(shè)置一層防腐層，這樣既能起到預防效果，還能降低腐蝕的概率。

3.4 采用多樣化的方式進行預防腐蝕

在管殼式換熱器的使用中，對于出現(xiàn)腐蝕性的現(xiàn)象并沒有具體的時間和地點。所以，預防遠比治理更加科學。可以進行一些預防措施，盡量杜絕腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，以此使管殼式換熱器能夠正常有效地運轉(zhuǎn)。首先，在操作過程中，要對腐蝕程度、腐蝕部位以及實際信息進行綜合考量和分析，還要結(jié)合經(jīng)濟成本，以此來使管殼式換熱器的材料質(zhì)量達到一定的標準和相關(guān)要求得到保障。其次，要具體問題，具體分析，可以適當采用一些緩蝕劑，以此妥善處理腐蝕問題，使其更加科學性和合理性。

3.5 管殼式換熱器操作控制

管殼式換熱器在工作的時候，會采用噴管對容器中的氣體和冷凝水進行徹底排出，然后在將冷流體注滿容器，再將入口關(guān)閉，并向其逐漸注入熱流體。在此操作過程中，要控制長度方向的溫度梯度，最好每米控制在30.4℃左右。這種操作導致管子和殼體之間的熱膨脹差保持在最小范圍內(nèi)。在停止時，要控制熱流體的流動速度，最好緩慢減至到零。然后，將冷流體流動進行停止，以此使熱流體的不等量收縮至最小。在停止工作時，利用干燥壓縮空氣使換熱器里的流體全部排放出去，從而使在開停工作的過程中，使熱應力減少到最低的狀態(tài)，從而防止應力中發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

3.6 維修工藝的管控

在試壓過程中，如若發(fā)現(xiàn)接頭存在泄漏問題，相關(guān)工作人員要及時對接頭進行修復。接頭有脹管現(xiàn)象發(fā)生時，工作人員要對周圍的管子進行二次脹管修復，以此防止縫隙出現(xiàn)。如果管子有泄漏的現(xiàn)象，要慎重選擇堵管方法。需要更換管子要及時更換，以此防止比較大的溫差應力和溫度應力共同發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。如果保溫層出現(xiàn)破損現(xiàn)象，要盡快采用防止水分的施工方法對其進行修復。在使用化學清洗換熱器的污垢時，在清洗后把殘留液全部排出來，以此防止殘留液腐蝕換熱器的情況發(fā)生。

3.7 水處理工藝控制

再循環(huán)冷卻淡水中，可以使用一定劑量的緩蝕劑降低腐蝕性能。在此操作中，要將組垢分散劑、殺菌滅藻劑、緩蝕劑相互配合使用。這樣就會形成水質(zhì)穩(wěn)定劑。將陽極抑制劑和陰極抑制劑相互結(jié)合，可以在一定程度上增強防腐蝕效果。此外，水處理工業(yè)技術(shù)主要有軟化、除氧、除銨、除磷酸鹽等相關(guān)技術(shù)。根據(jù)這些技術(shù)的有效應用，可以使水中的酸堿度和氧氣的含量得到控制，從而防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3.8 電化學保護

電化學保護包括陽極保護和陰極保護。陽極保護主要適用在換熱器工藝物料中的一側(cè)方向。在使用中，外加電流的作用下，陽極保護會使金屬電位向正方向進行移動，金屬鈍化后轉(zhuǎn)入鈍化區(qū)域，以此使腐蝕速度有所降低。陰極保護主要和具有保護性能的涂層相互配合使用。

3.9 設(shè)計、制造以及安裝工藝

在設(shè)計過程中，要使蒸汽放在管程側(cè)方向，在使用過程中，防止高速氣體流經(jīng)殼程。要對蒸汽冷凝液中的溶解物質(zhì)進行綜合考慮，其中含有氧氣和二氧化碳兩種氣體，在使用過程中，具有高強度的腐蝕性能。因此，在安裝制造過程中，管排要稍微傾斜，以此使冷凝液可以及時地排除出去。

4 結(jié)語

綜上所述，企業(yè)在使用管殼式換熱器的過程中，要重視其在運行中出現(xiàn)的腐蝕性現(xiàn)象。在處理腐蝕性問題時，要具體問題具體分析，要制定出具有針對性強的預防措施，還要選擇比較強的耐腐蝕性材料。除此之外，要和先進技術(shù)手段進行結(jié)合，既能預防管殼式換熱器的腐蝕性，又能使管殼式換熱器在運行中的安全性和穩(wěn)定性得以保障。