熱熔浸鋁換熱器在余熱回用防腐工藝中的應(yīng)用

李寶山，王方周*，陳修鳳，秦 方

(1.中能紀(jì)(北京)國(guó)際科技有限公司，北京，100081;2.河南濮陽(yáng)中原石油勘探局，河南 濮陽(yáng)，457001;3.鞍山市銀馬熱熔浸鋁有限公司，遼寧鞍山114011)

在熱力設(shè)備余熱回(收)用工藝中，大多采用普通鋼制換熱器，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)化換熱設(shè)計(jì)，來(lái)滿足工藝設(shè)計(jì)要求。在熱力設(shè)備余熱回用工藝中的換熱器大多在含有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中使用，防腐問(wèn)題關(guān)系到設(shè)備的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。目前換熱器的防腐一是采用耐腐蝕、耐沖刷的材料，二是對(duì)材料表面保護(hù)。但是耐腐蝕、耐沖刷的材料如塑料、石墨、特氟龍管材等在耐壓、耐溫方面受到一定的限制;采用具有防腐性能的金屬材質(zhì)可以增強(qiáng)防腐蝕性能，但投資過(guò)大，且只適用某些特定的環(huán)境。尋求一種既滿足工藝上對(duì)壓力、溫度的要求，又便于在結(jié)構(gòu)上實(shí)施強(qiáng)化換熱手段且具有防腐性能的材料制作換熱器就顯得尤為重要［1］。

1 二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)

1．1 簡(jiǎn) 介

二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)是把經(jīng)過(guò)焊接或脹接成型的管束、殼體通過(guò)兩次立式高溫浴進(jìn)行防腐處理。工藝流程為:組裝后的管束(殼體)→前處理→助鍍處理→預(yù)熱→鹽浴→浸鋁→保溫緩冷→后處理。換熱器管束或殼體等部件經(jīng)此工藝處理后，內(nèi)外表面形成三層保護(hù)層，靠近基體處為Al-Fe合金，厚度可達(dá)100～150 μm，中間為60～80 μm厚的純鋁層，最外面為40 nm以上的Al2O3薄膜，處理后的部件表面光滑、硬度較高、耐沖刷。

1．2 熱熔浸鋁換熱器特點(diǎn)

熱熔浸鋁換熱器是用二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)生產(chǎn)的。

(1)熱熔浸鋁換熱器內(nèi)的縫隙全部被鋁釬焊，消除殘余應(yīng)力。管殼式換熱器具有可靠性高，設(shè)計(jì)和制造工藝成熟，生產(chǎn)成本低，清洗較為方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前生產(chǎn)中最為廣泛使用的一種換熱設(shè)備。管殼式換熱器中存有大量縫隙，縫隙腐蝕十分嚴(yán)重，尤其是換熱器管束折流板和換熱管之間的縫隙腐蝕，致使折流板孔逐漸變大，殼程內(nèi)流體的變向又誘導(dǎo)換熱管振動(dòng)，使板孔腐蝕物不斷掉落，露出新的金屬表面繼續(xù)腐蝕，如此反復(fù)，導(dǎo)致板孔越來(lái)越大，換熱管振幅增加，加劇了換熱管與折流板的撞擊和摩擦，最終使換熱管磨薄穿孔或斷裂。同時(shí)在管殼式換熱器加工過(guò)程中，還伴有基體金屬元素?zé)龘p、增炭、焊縫及熱影響區(qū)晶體粗大、硬度過(guò)高以及結(jié)構(gòu)內(nèi)存在殘余應(yīng)力等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了換熱器的使用壽命。

換熱器管束及殼體分別經(jīng)二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)處理后，換熱器內(nèi)的縫隙全部被鋁釬焊，尤其是換熱器管束，其管板與換熱管、折流板與換熱管之間的縫隙全部被鋁釬焊密封，改變了管束的固有頻率，使其成為一個(gè)整體。消除了換熱器的縫隙腐蝕，避免了管束內(nèi)換熱管與管板的撞擊破壞。二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)處理的過(guò)程，也是對(duì)換熱器焊縫區(qū)退火、表面缺陷填充保護(hù)以及消除殘余應(yīng)力的過(guò)程。

(2)耐大氣腐蝕性能。換熱器應(yīng)用的地域不同，所處的大氣環(huán)境不同，對(duì)換熱器的腐蝕破壞也不相同，而熱熔浸鋁換熱器在各種大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能都十分優(yōu)越，無(wú)論在干燥、純凈還是潮濕的大氣中，即使在含有大量 SO2，H2S，NO2，CO2等介質(zhì)的工業(yè)大氣中，都可以生成致密的Al2O3鈍化膜，這種鈍化膜很穩(wěn)定，不會(huì)因腐蝕而減薄或大量損失;在海洋性大氣中，大量存在Cl－，鈍化膜的穩(wěn)定性會(huì)遭到破壞，但由于Al2O3鈍化膜致密且鋁的自鈍化能力很強(qiáng)，Al2O3鈍化膜的腐蝕速度較為緩慢，所以熱熔浸鋁換熱器在各種大氣環(huán)繞中都能具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。

(3)換熱器在二浴法立式熱熔浸鋁技術(shù)處理后，其表面生成Al2O3，Al，Al-Fe合金三層保護(hù)膜。最外層Al2O3是Al鈍化后的氧化物，其腐蝕電位比鋁的平衡電位要高1V，為0.5～0.7 V，在大部分中性和弱酸性溶液中都有足夠的穩(wěn)定性，試驗(yàn)和實(shí)踐證明，在含有 H2S，CO2，CN－，NH3等的水溶液中鈍化的鋁是耐蝕的。溶液中如果Cl－的質(zhì)量濃度不超過(guò)40 μg/g，鈍化后的鋁也不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕。表1為兩種碳鋼在不同H2S濃度下的腐蝕速率。表2為兩種鋼材不同溫度下的腐蝕速率。

表1 兩種碳鋼在不同H2S濃度下的腐蝕速率Table 1 Corrosion rate of two carbon steel at different g/(m2·h)

表2 兩種鋼材不同溫度下的腐蝕速率Table 2 Corrosion rate of two carbon steel at different temperature g/(m2·h)

由表1可以看出，在相同條件下，碳鋼經(jīng)熱熔浸鋁后其耐H2S鹽水溶液腐蝕性能提高90倍以上。在H2S質(zhì)量濃度小于1 000 g/L時(shí)，鋁層基本無(wú)腐蝕，H2S質(zhì)量濃度大于1 000 g/L時(shí)，鋁層表面出現(xiàn)少量蝕坑。

由表2可見(jiàn)，在500 mg/L的 H2S和3%的NaCl水溶液中，隨著溫度的提高，兩種材料的腐蝕速率都有所加快，在相同溫度范圍內(nèi)，碳鋼熱熔浸鋁后耐腐蝕性提高幅度更大，可達(dá)170倍。在50℃以上時(shí)點(diǎn)蝕擴(kuò)大，會(huì)形成潰瘍狀腐蝕區(qū)。

(4)耐H2S應(yīng)力腐蝕裂開(kāi)的性能。碳鋼、低合金鋼換熱器在高溫、一定壓力和含Cl－溶液中易產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂，高強(qiáng)度鋼和馬氏體不銹鋼在H2S介質(zhì)中易發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。其原因是破壞薄膜，Cl－、H2楔入、陽(yáng)極金屬溶解等，換熱器熱熔浸鋁之所以有防止應(yīng)力腐蝕的性能，主要原因?yàn)?① Al2O3穩(wěn)定性。使Cl－、H2S不能與鐵反應(yīng)，故不會(huì)產(chǎn)生H2，斷絕了楔入鋼鐵表面的H2來(lái)源;②純鋁一般無(wú)應(yīng)力腐蝕傾向，Cl－和H2S都不會(huì)使之產(chǎn)生裂紋;③鋁具有很好的陰極保護(hù)效應(yīng)，陽(yáng)極區(qū)金屬不會(huì)溶解;④幾乎不存在能造成鋁、鐵同時(shí)開(kāi)裂的介質(zhì);⑤熱熔浸鋁后，殘余應(yīng)力大部分被消除。這些原因使熱熔浸鋁換熱器具有良好的防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。

(5)耐高溫氧化性能。一般碳鋼在240～500℃將高溫氧化，在高溫氧化和腐蝕的雙重作用下，一般碳鋼換熱器很易損壞。碳鋼浸鋁后有良好的耐熱性能，在450℃以下可長(zhǎng)期使用，且顏色不變。在500℃以上開(kāi)始出現(xiàn)氧化增重和變色現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，熱熔浸鋁后的碳鋼換熱器在高溫H2S工況中具有很好的耐高溫氧化性能。

2 工程實(shí)例

石油鉆井中，由于設(shè)備常年露置于室外且與腐蝕性介質(zhì)接觸，大氣及腐蝕性介質(zhì)的腐蝕破壞較嚴(yán)重，加之野外作業(yè)經(jīng)常需要移井動(dòng)遷，換熱設(shè)備的使用條件不盡理想。個(gè)別碳鋼換熱器管束使用不到6個(gè)月就出現(xiàn)破裂，有的管束在不到一個(gè)大修周期里就被沖刷穿孔，不僅增加了維修費(fèi)用，還嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。2010年所實(shí)施的鉆井平臺(tái)大功率柴油機(jī)余熱回用項(xiàng)目，在工藝流程中選用了“整體熱熔浸鋁換熱器管束”，同時(shí)將一臺(tái)“普通碳鋼換熱器管束”作為參比對(duì)象。2011年7月進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕檢測(cè)結(jié)果顯示，熱熔浸鋁換熱器管束僅進(jìn)料口處局部鋁層沖掉，露出合金層，合金層厚度不小于80 μm;其余部分均為純鋁層，換熱管內(nèi)壁處的鋁層厚度不小于70 μm，管板的鋁層厚度不小于70 μm;焊口和縫隙仍由純鋁覆蓋和釬焊密閉，無(wú)任何腐蝕和開(kāi)裂。而普通碳鋼換熱器管束全面出現(xiàn)腐蝕，堵塞嚴(yán)重，表面呈鐵銹色，平均基體腐蝕深度約為0.25 mm，最大深度為0.5 mm;焊口和縫隙處腐蝕明顯，縫隙脫落起皮。

據(jù)此推測(cè)，“普通碳鋼管束”的換熱器使用壽命最多為2 a，而“整體熱熔浸鋁換熱器管束”經(jīng)過(guò)實(shí)際工況運(yùn)行，僅進(jìn)液口處鋁層被沖蝕，鐵-鋁合金層保存完好，且鐵-鋁合金層結(jié)構(gòu)致密，耐沖刷、耐腐蝕性能更加優(yōu)良，經(jīng)推算“整體熱熔浸鋁換熱器管束”的最小使用壽命不會(huì)低于6 a。

3 結(jié)論

(1)整體熱熔浸鉛換熱器管束具有良好的耐均勻腐蝕、耐應(yīng)力、間隙腐蝕、耐氫鼓泡等特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明是普通碳鋼制品壽命的3倍以上。

(2)由于管束表面鍍有鋁層和合金層，表面光滑，顯微硬度較高，所以浸鋁管束耐沖刷，不易結(jié)垢和堵塞。

(3)浸鋁管束性能價(jià)格比高，廣泛推廣使用可為石油石化工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可更好的保護(hù)環(huán)境，避免人身和設(shè)備安全事故，減少設(shè)備事故所造成的停產(chǎn)損失。

［1］ 劉邦津.鋼材的熱浸鍍鋁［M］.北京:冶金工業(yè)出版社1995，15-33.