循環(huán)水換熱器腐蝕原因分析及改進(jìn)措施

樂明聰,高 鵬,徐慶磊

(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司， 新疆 喀什 844804)

?

循環(huán)水換熱器腐蝕原因分析及改進(jìn)措施

樂明聰,高 鵬,徐慶磊

(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司， 新疆 喀什 844804)

針對(duì)裝置循環(huán)水換熱器腐蝕狀況，分析了裝置近幾年循環(huán)水中鐵離子含量、掛片腐蝕速率、pH值、鈣硬度、堿度、濁度和循環(huán)水流速等運(yùn)行數(shù)據(jù)以及裝置前期清洗預(yù)膜情況，同時(shí)結(jié)合循環(huán)水水質(zhì)運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范、裝置水質(zhì)管理制度，查找出引起裝置循環(huán)水換熱器腐蝕的主要原因，即換熱器清洗預(yù)膜效果不佳，循環(huán)水中鈣硬度、濁度較高。提出了循環(huán)水系統(tǒng)后續(xù)運(yùn)行中的改進(jìn)建議。水處理車間通過采取優(yōu)化工藝指標(biāo)，加強(qiáng)水質(zhì)過濾，調(diào)整循環(huán)水藥劑配比和投加方式，改進(jìn)防沙器和排沙系統(tǒng)，優(yōu)化清洗預(yù)膜方案等措施，使得碳鋼材質(zhì)設(shè)備腐蝕速率控制在0.03 mm/a左右。2013—2016年循環(huán)水換熱器運(yùn)行3 a,沒有發(fā)生腐蝕泄漏事件。

循環(huán)水 腐蝕 清洗預(yù)膜 換熱器

2012年某裝置大檢修期間，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水換熱器均有不同程度的腐蝕，部分換熱器腐蝕極為嚴(yán)重。查閱近幾年循環(huán)水中鐵離子含量和掛片腐蝕速率， 2011年鐵離子和腐蝕速率分析數(shù)據(jù)存在異常。而循環(huán)水中鐵離子含量和掛片的腐蝕速率反映了循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備腐蝕程度。

1 換熱器腐蝕原因分析

1.1 結(jié)垢對(duì)換熱器腐蝕影響

影響結(jié)垢的因素包括污垢含量、氧濃度、換熱器溫度等。垢下封閉區(qū)金屬為陽極，陽極反應(yīng)則是鐵的溶解[1]。垢層越厚，則越易在垢下產(chǎn)生腐蝕，并向縱深發(fā)展直至穿孔，這也就是所謂的垢下腐蝕。從本次檢修打開的換熱器可以看出，換熱器結(jié)垢比較嚴(yán)重，機(jī)械清洗污垢以后，換熱器有明顯的坑蝕現(xiàn)象，這與垢下腐蝕結(jié)果相吻合。

1.1.1 鹽類

水中的鹽類主要是鈣、鎂、鈉等離子的形成的化合物，離子濃度越高，水的導(dǎo)電性增強(qiáng)，也就加快了電化學(xué)腐蝕。其中鈣、鎂離子是換熱器結(jié)垢一個(gè)重要因素，GB50050—2007 《工業(yè)循環(huán)水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“鈣硬度+堿度”不超過1 100 mg/L，SH3099—2000 《石油化工給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求“鈣硬度+堿度”不超過1 000 mg/L。近幾年來循環(huán)水中 “鈣硬度+堿度”為1 050 mg/L(見圖1、圖2)，超過石油化工行業(yè)要求。高濃度鈣、鎂離子很容易造成換熱器結(jié)垢，引起金屬垢下腐蝕。

圖1 2011年循環(huán)水鈣硬度趨勢(shì)

圖2 2011年循環(huán)水總堿度趨勢(shì)

1.1.2 泥渣和粉塵砂粒等懸浮物

水中懸浮固體的增加會(huì)加大腐蝕速率，同時(shí)懸浮物的沉積還會(huì)引起沉積物下金屬的電化學(xué)腐蝕。循環(huán)水中濁度是判斷懸浮物多少的標(biāo)志。濁度又是水質(zhì)的綜合指標(biāo)，除了表示懸浮物的多少外，還能間接地反映出水中微生物情況，降低濁度是防止污垢沉積的有效手段，濁度越低對(duì)減緩設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢越有利。SH3099—2000《石油石化行業(yè)給水排水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定除煉油行業(yè)濁度不超過20 FTU，其他行業(yè)濁度不超過10 FTU。查看近幾年濁度分析指標(biāo)(見圖3)，循環(huán)水濁度指標(biāo)靠上線運(yùn)行，而且存在超指標(biāo)運(yùn)行現(xiàn)象。因此，可以判斷出泥渣、粉塵、砂粒等懸浮物結(jié)垢，是引起換熱器發(fā)生電化學(xué)腐蝕原因之一。

圖3 2011年濁度趨勢(shì)

1.1.3 天然有機(jī)物群生物群體

循環(huán)冷卻水在循環(huán)過程中，空氣中帶入菌類、微生物，可使菌藻迅速繁殖。菌藻的大量繁殖，形成生物黏泥沉積在金屬表面，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)一些微生物的新陳代謝過程也參與了電化學(xué)過程，促使腐蝕加速。異養(yǎng)菌代表了水中全部細(xì)菌的數(shù)量，因此，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求異養(yǎng)菌指標(biāo)不超過1×105個(gè)/ m3，實(shí)際循環(huán)水中異養(yǎng)菌控制在12～1 300個(gè)/m3。

黏泥量可以直接反映出循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中微生物的危害情況，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求黏泥量煉油不超過5 mL/m3；化纖、化肥不超過3 mL/m3；實(shí)際循環(huán)水黏泥量控制不超過0.35 mL/m3。

1.2 水中離子的質(zhì)量濃度對(duì)腐蝕的影響

高質(zhì)量濃度鹽類將使水的導(dǎo)電性增大，易發(fā)生電化學(xué)作用，增大腐蝕電流促使腐蝕加劇。循環(huán)水中Cl-和SO42-等離子的含量高時(shí)，會(huì)增加水的腐蝕性。Cl-不僅對(duì)不銹鋼容易造成應(yīng)力腐蝕，而且還容易破壞金屬上的氧化膜，因此，Cl-也是使碳剛產(chǎn)生點(diǎn)蝕的主要原因[2]。通過分析近幾年循環(huán)水氯離子運(yùn)行狀況可以發(fā)現(xiàn)：除裝置停車以外，氯離子質(zhì)量濃度在300 mg/L左右運(yùn)行(見圖4)，比較平穩(wěn)。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求氯離子質(zhì)量濃度不超過700 mg/L相差較遠(yuǎn)。

1.3 水的pH值對(duì)腐蝕的影響

pH值偏酸性時(shí)，則碳鋼表面不易形成保護(hù)膜，而且H+又是很好的去極化劑，促進(jìn)腐蝕電池陰極電子的轉(zhuǎn)移，故pH值偏酸性時(shí)，其腐蝕速率要比pH值偏堿性時(shí)高。近幾年來，循環(huán)水pH值運(yùn)行比較平穩(wěn)，除全廠停車和循環(huán)水清洗預(yù)膜階段外，pH值都為8～8.8(見圖5)。由此可判斷, pH值與換熱器腐蝕無關(guān)。

圖4 2011年氯離子質(zhì)量濃度趨勢(shì)

圖5 2011年pH值趨勢(shì)

1.4 水流速度對(duì)腐蝕的影響

一般來說，水流速度為0.6～1.0 m/s時(shí)，腐蝕速度最小。當(dāng)然水流速度的選擇不能只從腐蝕角度出發(fā)，還要考慮到傳熱的要求，流速過低會(huì)使傳熱效率降低和出現(xiàn)沉積，故水走管程的換熱器的冷卻水流速不宜小于0.9 m/s。水走殼程時(shí)，流速不應(yīng)小于0.3 m/s。該裝置部分換熱器冷卻水流速測(cè)量見表1。

表1 換熱器流速

從表1可以看走管程換熱器冷卻水流速為0.4～2.62 m/s，走殼程換熱器冷卻水流速為1.32～1.48 m/s，存在同類(管程或殼程)換熱器之間冷卻水流速相差較大。殼程換熱器流速偏大的現(xiàn)象。

1.5 循環(huán)水清洗預(yù)膜對(duì)設(shè)備腐蝕的影響

化學(xué)清洗是將設(shè)備上的污垢、油污和黏泥等附著物通過添加藥劑的方法清洗掉，然后再添加化學(xué)藥劑使金屬表面附著一層保護(hù)膜，防止設(shè)備腐蝕。因此，化學(xué)清洗、預(yù)膜好壞對(duì)防止設(shè)備腐蝕有很大關(guān)系。

近幾年來，裝置清洗預(yù)膜工作均在藥劑廠家的指導(dǎo)下開展清洗預(yù)膜工作。通過查閱循環(huán)水清洗預(yù)膜方案以及與化學(xué)清洗預(yù)膜有關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)2010年換熱器預(yù)膜過程中未嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)膜方案。

2010年預(yù)膜方案要求pH值控制為自然(即循環(huán)水本身運(yùn)行pH值)、總磷大于40 FTU、總鐵不超過2 mg/L，濁度不超過20 mg/L。2010年預(yù)膜期間實(shí)際pH值均控制在8.5左右，總鐵、濁度多點(diǎn)分析超標(biāo)，總磷偏低(見表2)。

表2 清洗預(yù)膜工藝指標(biāo)

通過以上原因分析，引起換熱器腐蝕的原因很多，這里主要從循環(huán)水方面分析換熱器的腐蝕原因，2010年預(yù)膜效果不佳是引起裝置換熱器腐蝕主要原因，其次循環(huán)水硬度、濁度較高引起設(shè)備垢下腐蝕。

2 循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行改進(jìn)措施

為保障裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行， 2013年3月對(duì)6臺(tái)腐蝕嚴(yán)重的換熱器進(jìn)行整體更換，并開展了為期一年的循環(huán)水水質(zhì)攻關(guān)，通過技術(shù)改造和提高循環(huán)水運(yùn)行管理水平，降低了循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕。

2.1 優(yōu)化工藝指標(biāo)和加強(qiáng)監(jiān)控

根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)和換熱器腐蝕現(xiàn)狀，進(jìn)一步優(yōu)化水質(zhì)運(yùn)行指標(biāo)(見表3)，修訂完善工藝卡片，重點(diǎn)優(yōu)化循環(huán)水中鈣硬度、堿度、濃縮倍數(shù)指標(biāo)，降低水冷器結(jié)垢。提高總磷含量，提升防腐蝕能力。加強(qiáng)班組員工操作考核，杜絕出現(xiàn)超標(biāo)運(yùn)行現(xiàn)象，加強(qiáng)重點(diǎn)設(shè)備和重點(diǎn)指標(biāo)的監(jiān)控。

表3 修訂的工藝指標(biāo)

2.2 改進(jìn)防沙器和排沙系統(tǒng)

南疆地區(qū)沙塵天氣較多，對(duì)循環(huán)水中濁度影響較大，為降低沙塵天氣對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的影響，原始設(shè)計(jì)了防沙器，但運(yùn)行效果不佳。2012檢修期間將原有腐蝕、堵塞的防沙管線進(jìn)行更換，并在防沙線中間再增設(shè)進(jìn)水管線，增大噴水壓力，在管線上設(shè)置了排污導(dǎo)淋閥，定期排污。同時(shí)對(duì)涼水塔池子底部排沙線更換為PVC塑料管線，以前排污管線為φ150 mm碳鋼管線，從建廠開始運(yùn)行超過10 a，管線腐蝕較為嚴(yán)重，排污孔被泥沙堵塞，排污效果不好。通過以上改造，沙塵天氣的濁度指標(biāo)下降較為明顯。

2.3 調(diào)整緩蝕阻垢劑配方和投注量

結(jié)合水冷系統(tǒng)腐蝕現(xiàn)狀，與水處理藥劑廠家研究，將先前使用的緩蝕阻垢劑配方進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的藥劑阻垢、緩蝕性能更好，抗污染能力增強(qiáng)。投加質(zhì)量濃度由原先的5.5～7.5 mg/L提高到6.0～7.5 mg/L，緩蝕增效劑投加濃度由4∶1提高到3∶1，提升循環(huán)水系統(tǒng)緩蝕阻垢效果。

2.4 吸水池進(jìn)口過濾網(wǎng)改造

吸水池進(jìn)口過濾器主要過濾循環(huán)水中較大的懸浮物，如破損的塑料填料。每次裝置大檢修，打開換熱器封頭，換熱管上或多或少都附著一些雜質(zhì)，影響設(shè)備的換熱效果。2014年大檢修期間，在水池入口加裝四方形過濾籠，同時(shí)對(duì)涼水塔舊填料進(jìn)行了更換。2015年裝置檢修，換熱器封頭打開后換熱管較為干凈，改造效果好。

2.5 監(jiān)測(cè)換熱器蒸汽加熱管線改造

腐蝕掛片監(jiān)測(cè)換熱器是間接反應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的重要設(shè)備，監(jiān)測(cè)換熱器運(yùn)行溫度要求不低于95 ℃。由于在初始建設(shè)期間，加熱蒸汽從伴熱蒸汽管線引入，冬天防凍保溫蒸汽用量大以后，監(jiān)測(cè)換熱器加熱溫度達(dá)不到運(yùn)行指標(biāo)。2013年裝置檢修期間，直接從0.35 MPa蒸汽管網(wǎng)引蒸汽至監(jiān)測(cè)換熱器后，加熱溫度運(yùn)行正常。

2.6 優(yōu)化清洗預(yù)膜方案

2011年裝置檢修后清洗預(yù)膜采用液體預(yù)膜劑KF-615A，控制有機(jī)磷大于40 mg/L。2013年裝置清洗預(yù)膜前，在總結(jié)上周期預(yù)膜工作經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，討論細(xì)化了清洗預(yù)膜方案。并采用整體清洗預(yù)膜方式，使用預(yù)膜劑KF-260，控制總無機(jī)磷大于120 mg/ L，增加預(yù)膜厚度。

2.7 防止水冷器結(jié)垢

由于新鮮水總硬度超過300 mg/L，屬于高硬度水質(zhì)，水冷器容易結(jié)垢。車間為每臺(tái)換熱器加裝循環(huán)水排污導(dǎo)淋，每周進(jìn)行排污，防止在換熱器封頭處泥沙淤積。其次每半年開展一次水冷器測(cè)流速工作，調(diào)整循環(huán)水流速合格，降低換熱器腐蝕。

3 結(jié) 論

針對(duì)水冷器大面積腐蝕狀況，從審查管理標(biāo)準(zhǔn)、制度以及多年水質(zhì)運(yùn)行記錄、循環(huán)水裝置操作記錄入手，分析出2010年預(yù)膜效果不佳是引起裝置換熱器腐蝕主要原因，其次循環(huán)水硬度、濁度較高引起設(shè)備垢下腐蝕。在循環(huán)水系統(tǒng)后續(xù)運(yùn)行中，裝置采取了優(yōu)化工藝指標(biāo)，降低循環(huán)水濁度、改進(jìn)緩蝕阻垢劑配比等措施，降低循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕，并取得了很好的效果，裝置碳鋼材質(zhì)設(shè)備腐蝕速率控制在0.03 mm/a左右，遠(yuǎn)小于指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

由循環(huán)水水質(zhì)引起換熱器腐蝕是一個(gè)長(zhǎng)期過程，潛伏期長(zhǎng)，設(shè)備破壞面廣，往往對(duì)生產(chǎn)會(huì)造成較大影響，因此各級(jí)生產(chǎn)管理部門要高度重視，將循環(huán)水作為常態(tài)化管理。

[1] 金熙,項(xiàng)成林,齊冬子 .工業(yè)水處理技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：76-230 .

[2] 呂勝杰，程學(xué)群，段振國，等. 循環(huán)水中氯離子含量對(duì)碳鋼腐蝕行為影響規(guī)律的研究[J]. 石油煉制與化工, 2011，42(3)： 85-87.

(編輯 張向陽)

Cause Analysis Corrosion in Cooling Water Heat Exchanger and Improvement Measures

YueMingcong,GaoPeng,XuQinglei

(PetroChinaTarimOilfieldCompany,Kashi844804,China)

Based upon the corrosion conditions of cooler water heat exchanger of the unit, the operating data such as Fe ions, corrosion rate of coupon, pH value, calcium hardness, alkalinity, turbidiy, flow rate of cooling water as well as cleaning pre-filming before cleaning were analyzed. The main causes of corrosion of cooling water heat exchanger were found out to be unsatisfactory pre-filming and higher calcium hardness and turbidity in cooling water in consideration of applicable codes & standards and management specifications. The improvements of operation were recommended for the cooling water system in operation. As the result, the corrosion rate of equipment of carbon steel was controlled within about 0.03 mm/a by optimization of process conditions, strengthening of water filtration, adjustment of dosage and addition of chemicals, improvement of sand controller and sand release system. The cooling water heat exchanger has been running stably without any corrosion leaking emergency ever since 2013.

cooling water, corrosion, cleaning pre-filming, heat exchanger

2016-04-08；修改稿收到日期：2016-05-10。

樂明聰(1978-)，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，大學(xué)本科，現(xiàn)從事煉化工藝技術(shù)、工藝安全和科技管理工作。E-mail：281980058@qq.com