換熱器設(shè)備腐蝕因素分析及防腐蝕技術(shù)探討

蘇瑞祺

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司制氫車間，黑龍江 大慶 163000）

換熱器在暖通工程中受到了廣泛的使用，比如，空調(diào)工程中應(yīng)用的表面型空氣冷卻器、空氣加熱裝置、風(fēng)機(jī)盤管等，制冷工程中用到的冷風(fēng)機(jī)、無霜冰箱蒸發(fā)器等，均為換熱器。盡管它們在形式上有著較大的差別，不過從本質(zhì)上來看，都具有實(shí)現(xiàn)冷熱流體間熱交換的功能。在經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人們物質(zhì)水平提高的同時，建筑工程中裝配空調(diào)的數(shù)量越來越多，而采暖空調(diào)在整個建筑的能耗中占有的比例也不斷提高，增氧提升采暖空調(diào)設(shè)備的能源利用率，對實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能建筑而言十分重要。換熱器是暖通空調(diào)中的常用裝置，更是減少設(shè)備能耗的關(guān)鍵一環(huán)。不過，換熱器在長時間使用后會發(fā)生腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象，不僅會導(dǎo)致其傳熱性能下降，而且還可能導(dǎo)致機(jī)組全面癱瘓，使得能耗的大幅提高，并且會因?yàn)樘鎿Q設(shè)備而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。其中，腐蝕帶來的影響最嚴(yán)重，據(jù)相關(guān)調(diào)查得知，換熱器的損壞大約90%都是因?yàn)楦g引起的，并且，腐蝕問題屬于換熱器中十分常見的一種問題，所以，若是可以將腐蝕問題處理好，就等同于從源頭上規(guī)避了換熱器的損壞。

1 換熱器設(shè)備腐蝕概述

換熱器是一種把熱流體中攜帶的熱量傳導(dǎo)到冷流體，或者把冷流體中攜帶的熱量傳導(dǎo)到熱流體的設(shè)備，也被稱作熱交換器。管式換熱器因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展較為成熟且維修便利，從而在石化、鋼鐵、紡織、制藥等多個行業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用。隨著換熱器在許多行業(yè)的大量普及，從而維修的概率也在不斷提高，尤其是因?yàn)閾Q熱介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)不同，使得換熱器受損形式也會有所區(qū)別。

在工業(yè)高速發(fā)展的背景下，腐蝕問題出現(xiàn)得越發(fā)頻繁，在各個行業(yè)與領(lǐng)域中，都有關(guān)于此方面的報(bào)道。不論是日常生活還是工農(nóng)行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)，凡是用到材料的地方都會出現(xiàn)腐蝕問題，由此可見，腐蝕對于社會發(fā)展以及人民的安居樂業(yè)造成了較大的影響。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年由于腐蝕而報(bào)廢與損失的鋼鐵多達(dá)2億噸以上，大約占全年鋼產(chǎn)量的1/10。當(dāng)前，國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了幾億噸，而其中卻存在大約3/10會因?yàn)楦g問題而平白損耗。由此推測出，國內(nèi)每一年度因?yàn)殇撹F腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失大概在2700多億人民幣，遠(yuǎn)超自然災(zāi)害與各種事故損失的總值。而國家科技部門、各大行業(yè)與公司也逐漸對此問題投入了高度的關(guān)注。對于化工廠而言，腐蝕引起的危害是巨大的，既使得其金屬資源受損，還會對其正常生產(chǎn)帶來威脅，并且因?yàn)楦g而引起的設(shè)備故障也對讓現(xiàn)場職工的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。隨著腐蝕問題越發(fā)受到人們的關(guān)注，以腐蝕為主題而開展研究項(xiàng)目也在不斷增多。

2 換熱器設(shè)備的腐蝕因素分析

2.1 制造換熱器的材質(zhì)

換熱器的構(gòu)成材料除了少部分使用的是不銹鋼、銅、鈦合金與非金屬材料（如石墨、玻璃等），通常主要用到的材料是碳鋼。碳鋼除了含有一定的碳外，還會含有少部分的Si、Mn、S、P，其整體的力學(xué)性質(zhì)是由鋼材中的碳元素比例所決定的，相較合金鋼而言，通常不會摻加過多的合金元素，也正因如此，碳鋼容易生銹，耐腐蝕性比較弱，極易引起換熱器的腐蝕受損，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 水質(zhì)的影響

水的含氣比例、流動速度、酸堿度、溫度、溶解成分都會對換熱器腐蝕造成較大影響。其中，含氣比例、酸堿度、溶解成分的影響相對更大，方便采取人工措施進(jìn)行控制，所以在平時使用時要重視維護(hù)工作。

換熱器設(shè)備中有害性最強(qiáng)的因素便是換熱器管道內(nèi)存在太多空氣，這不僅會使得水無法正常循環(huán)，并且空氣中夾帶的氧氣也容易引起換熱器的腐蝕。由于空氣在水中的溶解度和壓力、溫度存在直接關(guān)聯(lián)，在水受到加熱而溫度變高或是抵御管道阻力壓降降低時，空氣便會從水內(nèi)溶解出來。

酸堿度越低，則氫的過電位也會越低，陰極反應(yīng)越容易發(fā)生，進(jìn)入腐蝕速度就會愈快。所以，在應(yīng)用冷卻液的過程中要注重水質(zhì)問題，不可隨便用水，而是要用具有較高堿性的水，如此便可降低PH值給換熱器帶來的腐蝕作用。

水內(nèi)的一些鹽離子，尤其是陰離子，對換熱器也存在較強(qiáng)的腐蝕性。因此，在使用前要對水內(nèi)離子濃度進(jìn)行測量，盡可能減小水內(nèi)溶解的腐蝕性陰離子，添加適量的抗腐蝕材料，能對換熱器起到有效的保護(hù)效果。

2.3 換熱器進(jìn)出口溫度的影響

和絕大部分化學(xué)反應(yīng)相同，腐蝕速率隨著溫度的提高而正比例增快。由于水溫增高，溶液的電導(dǎo)性變強(qiáng)，腐蝕電流增加，水的黏性降低，促進(jìn)了陽極與陰極之間發(fā)生反應(yīng)。所以，在平時使用期間要注重把控好供水溫度。

3 換熱器設(shè)備的防腐蝕技術(shù)

3.1 在傳熱流體中添加緩蝕劑

為了緩解腐蝕，在條件允許的情況下，可對流體內(nèi)添加適量的緩蝕劑。主要由鉻酸鹽構(gòu)成的緩蝕劑是冷卻水系統(tǒng)較常使用的，鉻酸根離子屬于一種陽極抑制物質(zhì)，在其和適當(dāng)?shù)年帢O抑制劑組合時，便可取得理想且高經(jīng)濟(jì)效益的防腐蝕作用。常用的陰極抑制劑則有聚磷酸鹽、膦酸鈉等。據(jù)相關(guān)研究分析得知，此種方式在防范換熱器接觸、應(yīng)力腐蝕與孔蝕方面效果較佳。當(dāng)前，我國對于緩蝕劑的研究十分有限，市面上的緩蝕劑種類不多，亟需研究出更加高效、經(jīng)濟(jì)的緩蝕劑。

3.2 耐蝕材料

使用耐腐蝕材料，例如不銹鋼、鈦、鋁黃銅等，能夠提升換熱器材質(zhì)防腐蝕性能，從而延長換熱器的使用年限。不過，同時，也會讓一次性成本投入增多。例如，在上海金山石化公司中就有使用鈦材制成的海水換熱器，使用起來性能優(yōu)秀，不過因?yàn)槌跗谕度氤杀緦?shí)在太高，因此，無法得到大范圍的普及應(yīng)用。

3.3 Ni—P化學(xué)鍍、涂料

對整個換熱器實(shí)行化學(xué)鍍處理，構(gòu)成鎳磷鍍層，此種方式也是增加換熱器使用年限的有效措施。不過，此種鍍層屬于陰極性鍍層，只能發(fā)揮出機(jī)械隔離腐蝕介質(zhì)的效果，如果部分鍍層受損，便會產(chǎn)生大陰極小陽極，加快受損部位的腐蝕，因此保護(hù)作用不太可觀。我國還研發(fā)了一些可供換熱器使用的涂料，不過，這些涂料保護(hù)效果十分有限，并且在對換熱器進(jìn)行維修吹掃期間容易脫落。

3.4 滲鋁

在化工裝置中，需要材料兼具耐高溫、耐腐蝕、耐磨損三項(xiàng)性能，但能夠滿足以上要求的低檔次材料少之又少，而高檔材料則是價(jià)格高昂，企業(yè)難以承受。碳鋼換熱器相對而言成本較低，采取表面改性技術(shù)能夠增加設(shè)備的使用壽命，因此成為工業(yè)行業(yè)中換熱器的最佳防腐蝕措施。在此基礎(chǔ)上，人們研發(fā)出了碳鋼滲鋁。滲鋁是20世紀(jì)研發(fā)出的一種對金屬表面進(jìn)行防護(hù)的措施，把鋁元素滲透到工件表部的化學(xué)熱處理工藝即被稱作滲鋁，又可分為粉末法、氣相法、料漿法幾種類型。其能提升鋼鐵、非鐵金屬、合金在高溫環(huán)境下的抗氧化性能，將其放置在大氣、H2S、CO2、海水等介質(zhì)中具備較強(qiáng)的耐腐蝕性能。所以，滲鋁工藝逐漸在石化、冶金、航空、船舶、汽車、建筑等多個領(lǐng)域得到了大量使用，同時還陸續(xù)發(fā)展出了基于滲鋁衍生而來的Al-Cr、Al-Si、Al-Cr-Si等共滲技術(shù)。

盡管滲鋁涂層有著較強(qiáng)的耐高溫腐蝕、磨損能力，不過，對于管束和管板連接部位的保護(hù)問題迄今尚未得到有效解決，而這也是滲鋁碳鋼換熱器最薄弱的方面，對其使用年限造成了一定的影響。通常，鋁的電位相較鋼鐵略低，所以，滲鋁涂層能夠用于保護(hù)鋼鐵。不過，在一些特殊情形下，受到外界因素的干擾，鋁的電位反而會高于鋼鐵，此時若是保護(hù)層受損，便會出現(xiàn)大陰極小陽極，由此加快腐蝕速度，最終可能發(fā)生穿孔等嚴(yán)重后果。

3.5 滲鋅涂層

滲鋅是鋼材防腐處理中最常用、經(jīng)濟(jì)效益最高的一種方式，起源于英國與前蘇聯(lián)，是一種在鋅的熔點(diǎn)以下讓活性鋅原子滲透到工件表層的化學(xué)熱處理防腐。滲鋅工藝在20世紀(jì)中后期受到一些歐美發(fā)達(dá)國家的重視，后續(xù)便逐漸在工業(yè)行業(yè)中推廣應(yīng)用。滲鋅法又可分為粉末法與氣相法兩類。

滲鋅法具有較多優(yōu)點(diǎn)：對于溫度要求不高，只需控制在400～500℃，所以換熱器不易出現(xiàn)變形；既可以提升金屬材料在大氣、水、H2S與部分有機(jī)介質(zhì)內(nèi)的抗腐蝕性能，同時還能夠讓制件表層具有強(qiáng)于電鍍鋅、熱鍍鋅的硬度與耐磨損能力；滲層較為均勻，當(dāng)對形狀較為復(fù)雜的部件進(jìn)行處理時，滲鋅層有著十分明顯的優(yōu)勢，不管是螺紋、內(nèi)壁還是凹槽等位置，都可以將滲層厚度控制得十分均勻；滲鋅層和基體屬于冶金結(jié)合，較難出現(xiàn)剝落。并且，滲鋅層和鐵的電位差，相較鋅與鐵之間更低，作為一種陽極性保護(hù)層，其所具有的保護(hù)作用十分突出。通常認(rèn)為，滲鋅層厚度越大則耐腐蝕性能越高。當(dāng)前，滲鋅產(chǎn)品正逐漸走入大眾的視野，既在五金制品中有所應(yīng)用，并慢慢普及到石化、機(jī)械、水利、礦業(yè)等許多領(lǐng)域。

相較滲鋁法而言，使用粉磨包埋法來對換熱器設(shè)備實(shí)行滲鋅處理，無須擔(dān)心管束和管板連接部位的處理不當(dāng)。例如，在某次試驗(yàn)中，對20號鋼進(jìn)行滲鋅處理后，將其鋼材放置在溫度大約為80℃的自來水內(nèi)，盡管有出現(xiàn)電位反轉(zhuǎn)，不過，并未發(fā)生點(diǎn)蝕反應(yīng)。在同等條件下的濃度為3.5%的氯化鈉溶液中，滲鋅土層電位未出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。由此可知，滲鋅土層屬于陽極涂層，即便土層存在輕微的破損時，作為犧牲陽極也能對鋼材發(fā)揮保護(hù)作用。而且，滲鋅法相較滲鋁法而言，用于換熱器設(shè)備的防腐蝕處理更為優(yōu)秀。所以，需要加大力度研發(fā)滲鋁與滲鋅技術(shù)，尤其是要對滲鋅技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注，以更有效地延長換熱器的使用壽命。

3.6 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)也就是在換熱器設(shè)備中裝設(shè)陽極塊，基于陽極的犧牲來實(shí)現(xiàn)對陰極的保護(hù)。此種方式一般是對涂層防腐的補(bǔ)充措施，若是管束不具備防腐涂層，則會導(dǎo)致金屬表層電流損失嚴(yán)重，陰極防腐無法取得良好的效果。而在采取涂層和犧牲陽極的方式時，能夠取得最佳的防腐作用。陽極塊一般焊接固定于換熱器的管箱、封頭中，陽極塊的使用數(shù)量需根據(jù)設(shè)備的尺寸來確定，還要將陽極塊均勻設(shè)置，確保受保護(hù)的設(shè)備不存在防護(hù)死角。

3.7 防垢器等設(shè)備的應(yīng)用

除垢器在石化、水處理、特殊設(shè)備等防腐蝕領(lǐng)域中得到了普遍運(yùn)用，其關(guān)鍵材料為以多種類型的金屬成分構(gòu)成的特殊合金，此合金充當(dāng)電化學(xué)催化體，在流體經(jīng)過特殊合金時會和合金材料發(fā)生接觸，讓溶液產(chǎn)生電化學(xué)催化反應(yīng)，由此讓液相內(nèi)的膠體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為懸浮狀態(tài)，無法聚集附著在管壁上方，導(dǎo)致液相內(nèi)的各類離子與雜質(zhì)不容易結(jié)合成垢體，還能讓已結(jié)的垢體發(fā)生脫落。此外，還能弱化溶液組合對金屬的氧化效用，提高其還原效果，緩解金屬材料的腐蝕。使用除垢器能對換熱器設(shè)備的垢下腐蝕起到良好的防范效果，所以，對于特殊的循環(huán)水換熱器，便可運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)。

4 結(jié)語

換熱器防腐蝕是目前亟需加強(qiáng)研究與實(shí)施的工作，僅憑單一的措施所取得的效果十分有限，以上提及的措施僅能較大程度上緩解腐蝕問題，卻無法從根本上完全根絕腐蝕的出現(xiàn)。因此，在今后需要繼續(xù)加強(qiáng)對防腐蝕技術(shù)的研究，深入了解換熱器設(shè)備腐蝕發(fā)生的具體原因，以此采取針對性措施加強(qiáng)控制，如此方可最大程度地提高設(shè)備的使用年限，獲得更大的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。