化工換熱器常見腐蝕問題及防控措施的研究

歐陽偉媛

廣東中化石油化工設(shè)計(jì)有限公司 廣東 廣州 510700

化工企業(yè)生產(chǎn)的主要目的是創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，所以化工設(shè)備一旦投入使用便會(huì)長時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，這種高負(fù)荷的工作環(huán)境以及長時(shí)間的使用，不僅會(huì)增加化工設(shè)備性能故障問題，而且還會(huì)影響化工設(shè)備的使用壽命。而通過換熱器的應(yīng)用能夠有效調(diào)控生產(chǎn)過程中的溫度，為設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，所以保證換熱器的質(zhì)量也尤為重要。結(jié)合換熱器故障的原因分析可知，腐蝕問題是造成換熱器故障的重要原因，設(shè)備在長期與腐蝕性物質(zhì)接觸的環(huán)境下，使得換熱器的壽命嚴(yán)重縮減。為了幫企業(yè)謀取更多的經(jīng)濟(jì)效益，并強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)行期間的安全性，做好換熱器腐蝕問題分析與防控處理尤為重要。

1 化工設(shè)備換熱器相關(guān)概述

換熱器簡單來說就是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，通過在換熱器中通入或冷或熱的流體，實(shí)現(xiàn)降低或升高其他設(shè)備溫度的目的，將其他設(shè)備的溫度控制在預(yù)期參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，進(jìn)而提高化工生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。所以結(jié)合換熱器的工作原理可知，相較于其他設(shè)備來說換熱器不僅會(huì)受到自身因素的影響，而且還會(huì)受到生產(chǎn)運(yùn)營周期等因素的影響，其始終處于溫度較高的環(huán)境下。當(dāng)下我國正處于工業(yè)發(fā)展中期，工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展也使得市場對換熱器的需求量不斷攀升，而不同的企業(yè)對于換熱器的需求存在一定的差異性，所以這些促使換熱器的種類和生產(chǎn)規(guī)模明顯增多。以能量轉(zhuǎn)換分類，換熱器的種類主要包括混合式、蓄熱式等；以用途分類，換熱器的種類包括冷卻器、加熱器以及蒸發(fā)器等；以材料的角度分類，有金屬、陶瓷等。通過材料、性能多樣的換熱器，更能夠適應(yīng)化工生產(chǎn)復(fù)雜環(huán)境的需求[1]。

2 換熱器防腐的意義

2.1 保證設(shè)備的正常運(yùn)行

化工生產(chǎn)中需要使用大量的機(jī)械設(shè)備，而當(dāng)下為了滿足人們不斷增長的物質(zhì)文化需要，化工機(jī)械設(shè)備也逐漸向復(fù)雜化方向發(fā)展，所以同一個(gè)機(jī)械設(shè)備可能會(huì)需要使用多個(gè)換熱器。與此同時(shí)，在設(shè)備運(yùn)行的過程中腐蝕問題是常見的現(xiàn)象，而且相較于其他問題來說腐蝕問題的處理難度更高，所以很少有企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)對腐蝕問題的高效處理。換熱器作為設(shè)備的重要組成部分，一旦換熱器出現(xiàn)腐蝕問題而無法正常發(fā)揮作用，就會(huì)對整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還有可能會(huì)縮短是為了運(yùn)行壽命，所以保證換熱器持續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行尤為重要。

2.2 實(shí)現(xiàn)高效環(huán)境保護(hù)

化工企業(yè)在生產(chǎn)的過程中本身就會(huì)產(chǎn)生大量的污染問題，化工企業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)體系的重要組成部分，其不僅具有經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，也需要承擔(dān)社會(huì)主義市場環(huán)境下的社會(huì)效益，所以在可持續(xù)發(fā)展理念的影響下，化工企業(yè)也逐漸向綠色環(huán)保型方向發(fā)展。由于造成換熱器腐蝕的原因多種多樣，所以一旦換熱器發(fā)生腐蝕問題，可能會(huì)造成有害物質(zhì)泄漏，進(jìn)而增加環(huán)境污染。而做好換熱器的防腐處理，也是從源頭上減少化工生產(chǎn)環(huán)境污染的重要手段，有效的保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 化工設(shè)備換熱器常見的腐蝕類型

3.1 物理腐蝕

物理腐蝕簡單來說就是由于單純的物理溶解等因素而引起的設(shè)備破壞。物理腐蝕是設(shè)備中最常見的，也是不可避免的一種腐蝕問題。結(jié)合換熱器運(yùn)行的方式可知，其主要是通過換熱器內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)從而帶走能量，所以整個(gè)換熱器內(nèi)部的金屬構(gòu)件和內(nèi)部流通物質(zhì)之間存在較大的相對運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)的過程中金屬構(gòu)件的表面會(huì)與流動(dòng)介質(zhì)產(chǎn)生摩擦，從而造成摩擦腐蝕。與此同時(shí)，換熱器的使用環(huán)境相對較為復(fù)雜，其始終處于高溫的環(huán)境下進(jìn)行，在高溫環(huán)境以及流體內(nèi)部摩擦力的作用下，進(jìn)一步增加了摩擦沖擊對金屬內(nèi)壁的影響。雖然在選擇設(shè)備的過程中，為了延長設(shè)備的使用壽命，會(huì)在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)層，但在長期磨損和沖擊的影響下，也造成換熱器的腐蝕逐漸加劇。除此之外，金屬部件的換熱器在實(shí)際使用的過程中其會(huì)產(chǎn)生黏性介質(zhì)，這些黏性介質(zhì)一旦堆積，會(huì)影響換熱器正常的功能，為了保證換熱器的性能，化工單位一般會(huì)將換熱器內(nèi)部介質(zhì)的流通速度控制在2m/s左右，這雖然能夠有效減少粘性介質(zhì)的影響，但同樣加劇了內(nèi)部物理腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)部介質(zhì)在高速流動(dòng)的環(huán)境下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡和顆粒，使得金屬表面在承受原有壓力的基礎(chǔ)上瞬間增加數(shù)十兆帕的壓力，造成換熱器表面出現(xiàn)深谷以及凹槽等問題。

3.2 電化學(xué)腐蝕

為了保證化工機(jī)械設(shè)備能夠持續(xù)有效運(yùn)轉(zhuǎn)，換熱器也是處于不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，在長期運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境下，其內(nèi)部的流體由于摩擦作用也會(huì)造成其內(nèi)部介質(zhì)數(shù)量增多，進(jìn)而造成介質(zhì)沉淀等問題。尤其是在換熱器的末端，由于內(nèi)部流體的流速減慢，使得管內(nèi)增加了大量的沉積物。與此同時(shí)，管道內(nèi)部沉積物的含量與沉積物的質(zhì)量、管道內(nèi)部流速有著密切的關(guān)系，所以這也造成管道內(nèi)部不同區(qū)域的沉積物分布不均，沉積物本身粘連性較差且形狀各異，增加了沉積物內(nèi)部間隙和裂隙產(chǎn)生的概率。在間隙和裂縫所造成的外氧差異的影響下，造成換熱器不同部件之間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)下常見的電化學(xué)腐蝕主要包括陽極金屬腐蝕、還原性腐蝕等。陽極金屬腐蝕簡單來說就是陽極區(qū)域的金屬離子被氧化，從而形成游離的陽極離子，這些陽極的離子會(huì)與陰極金屬發(fā)生還原反應(yīng)，而在反應(yīng)的過程中可能會(huì)產(chǎn)生中性溶液或堿性溶液，一旦發(fā)生堿性溶液會(huì)造成整個(gè)熱轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的流體產(chǎn)生腐蝕性，在不斷循環(huán)的過程中加劇熱轉(zhuǎn)換器的腐蝕程度[2]。

3.3 管道水側(cè)腐蝕

化工設(shè)備換熱器中主要的介質(zhì)就是水，相較于其他介質(zhì)來說，水資源的成本相對較低而且水的比熱容大，所以在能量轉(zhuǎn)換的過程中，只需要較少的泵送機(jī)械能即可完成水資源的輸送。而為了進(jìn)一步降低成本，在整個(gè)換熱器中水資源始終處于循環(huán)利用狀態(tài)，但水資源的降溫和升溫處理需要大量的時(shí)間，所以整個(gè)換熱器中的水資源用量相對較高，若在使用的過程中對水質(zhì)處理不嚴(yán)格，就會(huì)增加整個(gè)換熱器中水資源的雜質(zhì)，雜質(zhì)經(jīng)過長期的聚集實(shí)現(xiàn)量變，最終造成管道水側(cè)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。與此同時(shí)，換熱器中的水一般是弱酸性，再加上水資源在運(yùn)輸?shù)倪^程中也會(huì)產(chǎn)生氣泡，而氣泡中含有大量的氧氣，所以這也進(jìn)一步增加了設(shè)備被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。例如管道本身中含有大量的鐵元素，水中的酸性物質(zhì)與鐵元素發(fā)生反應(yīng)后，游離的鐵離子還會(huì)與空氣發(fā)生進(jìn)一步氧化，使管道內(nèi)部腐蝕加劇。

3.4 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕簡單來說就是材料在靜應(yīng)力和腐蝕的共同作用下，造成材料產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂的問題，而應(yīng)力腐蝕的過程也是在外部應(yīng)力和殘余應(yīng)力的作用下造成材料破壞的過程。相較于材料的其他腐蝕問題來說，應(yīng)力腐蝕對換熱器的影響更深，其對材料能夠造成破壞性的影響，在外力的作用下材料的性能會(huì)大打折扣，使整個(gè)換熱器出現(xiàn)斷裂或損壞等故障，進(jìn)而使整個(gè)機(jī)械設(shè)備處于癱瘓的狀態(tài)。當(dāng)下常見的應(yīng)力腐蝕主要包括陽極溶解應(yīng)力腐蝕、氫致開裂應(yīng)力腐蝕等。造成換熱器出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的原因多種多樣，當(dāng)下常見的換熱器出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的原因主要是由于在外界力的作用以及內(nèi)部流體介質(zhì)的作用下，使得換熱器表面的氧化膜被破壞，而被破壞的材料和未被破壞的材料分別形成電池的陰陽兩極，通過介質(zhì)的作用實(shí)現(xiàn)電子的高效流動(dòng)，最終產(chǎn)生原電池。由于原電池中陰陽兩極始終處于不斷反應(yīng)的狀態(tài)，所以其也造成零部件的持續(xù)溶解，縮短零部件使用壽命的同時(shí)，也造成了極大的安全隱患[3]。

4 化工設(shè)備換熱器防腐處理措施

4.1 利用防腐涂料，提升設(shè)備防腐性能

防腐涂料對于各種腐蝕來說都有著突出性的作用，其能夠在腐蝕介質(zhì)和換熱器之間形成隔絕層，從根源上阻絕腐蝕的過程。而不同的防腐涂料其應(yīng)用范圍也存在差異性，當(dāng)下常見的防腐涂料主要包括防溶劑涂料、防油腐蝕涂料等，這些涂料能夠在金屬表面形成一層隔離層，通過物理隔絕的方式實(shí)現(xiàn)對腐蝕問題的有效隔絕，從而減少物理腐蝕和化學(xué)腐蝕等問題。但不同的腐蝕材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以將其應(yīng)用于化工設(shè)備防腐中，工作人員需要結(jié)合換熱器應(yīng)用的實(shí)際情況，選擇合適的防腐涂料，從而避免由于防腐涂料選擇不合理進(jìn)而加速腐蝕問題。例如金屬防腐涂料具有可變性的優(yōu)勢，通過該防腐涂料能夠有效避免在處理的過程中出現(xiàn)裂縫等問題，但同樣若金屬防腐涂料選擇不合理，其也有可能形成原電池的陽極或陰極，從而加速設(shè)備的腐蝕。涂料具體的應(yīng)用方式主要包括電鍍、火焰噴涂的，在防腐材料噴涂完成后還需要對其進(jìn)行高溫烘烤，從而使涂層能夠與金屬材料緊密的結(jié)合在一起。除此之外，在化工生產(chǎn)的過程中也需要使用到大量的具有腐蝕性的原材料，而這些原材料也可能會(huì)與換熱器外部接觸，所以換熱器也需要對外部進(jìn)行防腐處理。而在不斷研發(fā)和創(chuàng)新的過程中，也創(chuàng)造出一種以過濾乙烯為主的底漆和面漆，這種防腐材料不僅具備防潮防水防能的性能，而且還能夠有效抵抗酸堿的侵害，具有較強(qiáng)的防腐能力[4]。

4.2 犧牲陽極的陰極保護(hù)法

當(dāng)前市場上常見的換熱器主要包括銅、不銹鋼等材料所構(gòu)成，這些材料具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。管殼式換熱器也是當(dāng)下常見的換熱器，其是由碳鋼不銹鋼和銅所構(gòu)成，而碳鋼的材料不僅包含滲碳體還包括鐵素體，在將該換熱器作為冷卻器使用的過程中，由于滲碳體的電位更低，在流體的參與下其能夠形成原電池，在實(shí)際使用的過程中管板和列管的焊縫中會(huì)出現(xiàn)一些腐蝕性泄漏，這個(gè)過程也是電化學(xué)腐蝕過程。而處理電化學(xué)腐蝕方式最有效的措施就是犧牲陽極的陰極保護(hù)法，該方式也是當(dāng)下化工設(shè)備防腐維護(hù)的重要途徑。犧牲陽極的陰極保護(hù)法簡單來說就是將還原性較強(qiáng)的金屬材料作為保護(hù)極，還原性較強(qiáng)的材料可以與負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而有效避免了原來的金屬被腐蝕的問題，實(shí)現(xiàn)了對陽極金屬的有效保護(hù)。例如在換熱器表面增加鎂、鋁等金屬材料，這些金屬材料的還原性比鐵元素更高，這樣換熱器表面的金屬則會(huì)代替鐵元素形成原電池，避免了換熱器中鐵元素的腐蝕和破壞。

4.3 防止應(yīng)力腐蝕

介質(zhì)是造成應(yīng)力腐蝕的重要原因之一，在不同的體系下同一種介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。例如在奧氏體不銹鋼中，若其介質(zhì)為中性氯化物溶液，且介質(zhì)中氧的質(zhì)量濃度低于1.3mg/m3，極容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，所以可以通過去除腐蝕性介質(zhì)的方式達(dá)到防腐的目的。工作人員可以在換熱器中加裝緩釋劑等，實(shí)現(xiàn)對腐蝕介質(zhì)的處理，提高換熱器工作質(zhì)量的同時(shí)，也能夠加快生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，殘余應(yīng)力也是造成應(yīng)力腐蝕的重要元兇，脹接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是冷加工所引起的內(nèi)應(yīng)力所構(gòu)成，其脹管率越大，殘余應(yīng)力越大，其所產(chǎn)生的腐蝕傾向越大。所以為了降低應(yīng)力腐蝕發(fā)生的概率，相關(guān)人員也需要嚴(yán)格控制脹接壓力，必要時(shí)可以通過改變換熱管和管板之間的連接方式。

4.4 金屬或無機(jī)涂層保護(hù)措施

金屬或無機(jī)涂層保護(hù)措施又被稱為鍍層防護(hù)保護(hù)，其是在換熱器設(shè)備金屬層表面設(shè)置一層金屬或無機(jī)涂層，通過該涂層實(shí)現(xiàn)對換熱器設(shè)備的保護(hù)作用。金屬涂層的具體操作方法主要包括電鍍、包鍍以及蒸汽鍍等，而無機(jī)鍍層保護(hù)可以通過噴涂、化學(xué)轉(zhuǎn)換等方式。金屬或無機(jī)鍍層兩者之間各有其優(yōu)缺點(diǎn)，金屬涂層的變化性相對較強(qiáng)，而無機(jī)涂層則相對較為脆弱。在實(shí)際操作的過程中，工作人員需要確保涂層的完全隔離狀態(tài)，及時(shí)解決其存在的缺陷以及孔洞等問題，從根本上避免發(fā)生電偶效應(yīng)的概率，提升保護(hù)的效果[5]。

5 結(jié)束語

綜上所述，時(shí)代的發(fā)展使得人們對化工行業(yè)的依賴程度不斷攀升，作為化工企業(yè)的重要設(shè)備，在化工生產(chǎn)的過程中必須保證換熱器運(yùn)行的安全性和有效性。所以化工企業(yè)就需要重點(diǎn)關(guān)注換熱器的運(yùn)行情況，針對造成換熱器腐蝕問題的原因進(jìn)行有針對性的處理，延長換熱器使用壽命的同時(shí)，也能夠使其充分發(fā)揮自身的能量轉(zhuǎn)換作用，進(jìn)而緩解化工生產(chǎn)過程中的壓力，為推動(dòng)化工領(lǐng)域的全面高效發(fā)展提供保障。