化工設(shè)備換熱器常見腐蝕與防腐措施

李金鶴，陸 佳

（江蘇藍(lán)天安全科技有限公司，江蘇南通 226004）

0 引言

換熱器是化工行業(yè)常用的熱能交換設(shè)備，由于換熱器工作介質(zhì)屬于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，同時伴有一定的高溫和高壓，導(dǎo)致化工設(shè)備換熱器面臨較大的腐蝕威脅，影響設(shè)備的正常使用。換熱器中換熱管的表面腐蝕容易引起換熱器泄漏，引發(fā)安全生產(chǎn)事故，因此探究化工設(shè)備換熱器的腐蝕機(jī)理和防腐措施十分必要。

1 換熱器概述

化工設(shè)備換熱器能夠?qū)崂淞黧w的某些能量傳輸?shù)狡渌黧w之中實現(xiàn)熱交換，目前常用的換熱器種類包括蓄熱式換熱器、混合式換熱器和間壁式換熱器。按冷熱流體的方向分類包括順流式保護(hù)、錯流式、逆流式以及混流式換熱器。工況穩(wěn)定的換熱器，傳熱面上的熱流和溫度并不隨著時間的變化而改變，如果工況不穩(wěn)定，則傳熱面上的溫度和熱流會隨時間的變化而變化。換熱器是煤炭領(lǐng)域、石油工業(yè)、鹽工業(yè)以及熱電領(lǐng)域生產(chǎn)過程中必不可少的設(shè)備，直接關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)效益。由于化工設(shè)備換熱器介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性、高流速、高溫高壓、形態(tài)多元化等特征，接觸的物質(zhì)成分復(fù)雜，導(dǎo)致?lián)Q熱器容易腐蝕泄漏，影響換熱器的正常使用和生產(chǎn)的平穩(wěn)進(jìn)行。換熱器腐蝕不僅會影響材料自身的強(qiáng)度和使用性質(zhì)，而且會導(dǎo)致?lián)Q熱交換整體運(yùn)行故障，造成材料損傷和經(jīng)濟(jì)損耗。一旦出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備損壞，設(shè)備的外觀、色澤、性能都會發(fā)生較大變化，設(shè)備腐蝕修護(hù)工作會給企業(yè)帶來極大的額外支出，影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益。因此，必須加強(qiáng)對化工設(shè)備換熱器腐蝕現(xiàn)象的分析，提前做好腐蝕預(yù)防措施，避免換熱器腐蝕，使熱交換器能在復(fù)雜的條件下正常有序的生產(chǎn)[1]。

2 換熱器腐蝕類型及機(jī)理

2.1 表面磨損腐蝕

化工設(shè)備換熱器正常工作過程中，金屬構(gòu)件與腐蝕介質(zhì)相對運(yùn)動速度較大，金屬構(gòu)件表面容易受到腐蝕損壞，這種腐蝕類型為換熱器表面磨損腐蝕。腐蝕氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)或者含有氣泡的氣體以及含有固體的顆粒等，都是造成腐蝕損壞的流動介質(zhì)。從某種意義上說，腐蝕磨損是金屬表面高速流體對其產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物的沖刷作用和裸露區(qū)表面腐蝕作用的綜合影響，磨損腐蝕在對已經(jīng)產(chǎn)生腐蝕的表面進(jìn)行沖刷的同時，也會對新露出的金屬表面造成新的腐蝕，給設(shè)備帶來進(jìn)一步的破壞。造成化工設(shè)備換熱器腐蝕磨損的生產(chǎn)介質(zhì)往往具有一定的粘連性，生產(chǎn)介質(zhì)的流速通常會＞2 m/s，以防止介質(zhì)沉淀結(jié)垢。流體在高速情況下對傳熱面的沖刷、尤其是含有氣泡和固體顆粒的高速流體的沖刷，會直接引起傳熱面局部壓力迅速增加，導(dǎo)致金屬表面局部性能的改變和破壞，造成疲勞腐蝕。目前，我國化工行業(yè)已普遍重視換熱器表面磨損腐蝕問題，在設(shè)計的過程中，為避免高速流體進(jìn)入殼體，會在殼體進(jìn)口處管束上安裝防沖板，但在流體長時間作用下，防沖板易被擊穿而使流體直接作用于換熱器表面引起磨損。同時，化工設(shè)備換熱器正常工作過程中，受到微振動或振動的影響，也經(jīng)常會磨損折流板管孔位置，表現(xiàn)為深谷形和馬蹄形凹槽，影響管道的使用壽命。因此，需要加強(qiáng)對換熱器磨損腐蝕的研究，明確磨損腐蝕的主要因素，并采取有效措施降低磨損腐蝕發(fā)生概率[2]。

2.2 應(yīng)力腐蝕

外加應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下引起的腐蝕現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕容易引起換熱器材料的斷裂而導(dǎo)致?lián)Q熱器生產(chǎn)故障。目前常見的應(yīng)力腐蝕主要包括陽極溶解應(yīng)力腐蝕及氫致開裂應(yīng)力腐蝕兩種。在腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用之下，換熱器表面的氧化膜會被破壞，破壞之后的材料與未破壞的材料分別形成陽極與陰極，導(dǎo)致陽極金屬腐蝕和損耗速度進(jìn)一步加快，逐漸變成離子溶解到液體之中，產(chǎn)生原電池，電流流向陰極破壞材料表面強(qiáng)度，影響設(shè)備的正常使用[3]。

2.3 電化學(xué)腐蝕

換熱器內(nèi)部的高速流體可以避免流體的沉降和板結(jié)，但在長期使用過程中會出現(xiàn)一定介質(zhì)沉積情況，尤其在工作將近結(jié)束的區(qū)域，介質(zhì)流速降低，會在換熱管內(nèi)沉積較多的沉積物。受到管內(nèi)流速和沉積物性質(zhì)的影響，沉積物在換熱管表面分布并不均勻，粘連也不牢固，容易形成間隙和裂縫，導(dǎo)致沉積物間隙和間隙之間的含氧量不同，引起部分位置的電化學(xué)腐蝕，包括面積還原腐蝕、陽極氧化腐蝕等，陽極金屬溶解，陰極金屬還原為中性、堿性或酸性溶液。同時，由于縫隙內(nèi)外產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)速度并不均勻，在一定程度上擴(kuò)大了腐蝕面積，對換熱器的正常使用造成更大的危害[4]。

2.4 低溫腐蝕

換熱器正常工作時，當(dāng)煙氣進(jìn)入換熱器開始熱交換之后會逐漸降低溫度。通常情況下，燃煤鍋爐空預(yù)器出口不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，但由于煙氣中往往存在一定的酸性氣體，導(dǎo)致酸結(jié)露出現(xiàn)概率大大增加。如果換熱器金屬壁溫度低于煙氣酸的結(jié)露點(diǎn)時，換熱器金屬壁表面會凝結(jié)含有硫酸酐的煙氣和水蒸汽，誘發(fā)管道腐蝕。這種腐蝕主要是由于煙氣溫度和管壁溫度較低導(dǎo)致，因此被稱為低溫腐蝕[5]。

2.5 水流引起的腐蝕

水是換熱器最常用的熱交換介質(zhì)，換熱管內(nèi)水流造成的沖刷和腐蝕是比較常見的腐蝕類型。首先，當(dāng)水中所含pH 值不穩(wěn)定、尤其是水中pH 值降低呈現(xiàn)酸性狀態(tài)以及水中有溶解氧的存在時，容易誘發(fā)換熱管發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致化學(xué)腐蝕。此外，如果水中含有有害的陰離子，如氯離子和硫離子，這些離子的存在也會與管內(nèi)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起電化學(xué)腐蝕。因此必須加強(qiáng)換熱管防腐性能的研究，要求換熱管表面有利于沉積物的附著，具有良好的附著力，而且具有高耐溫變性和高導(dǎo)熱性能，以緩解水流帶來的侵蝕，保證換熱管正常工作[6]。

3 化工設(shè)備換熱器常用防護(hù)措施

3.1 涂刷防腐涂料

由于換熱器內(nèi)部的腐蝕介質(zhì)與換熱器內(nèi)壁之間長期接觸引起介質(zhì)與內(nèi)壁金屬表層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以在換熱器內(nèi)表面適當(dāng)涂抹適合的防腐涂料層，將腐蝕介質(zhì)與換熱器內(nèi)壁隔離開來，有效控制腐蝕問題。防腐涂料包括重防腐涂料、防溶劑涂料、高溫涂料、防油腐蝕涂料等。要結(jié)合化工設(shè)備換熱器實際容易發(fā)生腐蝕的種類和腐蝕造成的影響，合理選擇防腐涂料，切實提高防腐功效。其次，不同材料生產(chǎn)商、生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)方法所生產(chǎn)的換熱器防腐材料具有較大的性質(zhì)差異，影響化工設(shè)備換熱器的整體防腐性能。因此，必須加強(qiáng)對防腐涂料的篩選與檢測工作，加強(qiáng)對防腐材料的驗收與檢查，并通過相關(guān)法律法規(guī)約束防腐涂料的生產(chǎn)，以保證防腐材料的質(zhì)量?；て髽I(yè)在購買換熱器防腐材料時，要綜合考慮防腐材料的防腐性能，明確換熱器發(fā)生腐蝕的主要原因及類型，合理選擇有針對性的防腐材料。同時，電鍍、火焰噴涂以及蒸汽鍍等金屬涂層措施，也可以隔絕換熱器內(nèi)部與容易引起銹蝕的物質(zhì)，形成一層涂層防護(hù)膜，以防止換熱器內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，降低腐蝕發(fā)生的概率[7]。

涂刷防腐涂料時，要在涂刷后進(jìn)行高溫烘烤，以提高噴涂材料與換熱器內(nèi)壁之間的粘結(jié)，使涂層更具有防腐效果，避免金屬涂層的脫落和變形。應(yīng)用無機(jī)涂層或金屬涂層時，要保證內(nèi)層表面的完整性，避免出現(xiàn)涂料涂刷不均勻和微孔問題，防止局部出現(xiàn)原電池環(huán)境而引起電化學(xué)腐蝕，保證防腐效果。操作人員要嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行操作，保證涂抹過程中沒有裂紋、麻點(diǎn)、針孔和漏涂現(xiàn)象，保證涂層表面光滑均勻、厚薄一致，以提高防腐質(zhì)量。需要注意的是，雖然具有一定厚度的涂料層可以有效提高防腐效果，但并不是說防腐涂層越厚越好，如果防腐層過厚會降低換熱器的熱傳導(dǎo)功能以及涂層質(zhì)量，容易出現(xiàn)涂層破裂。因此，要結(jié)合換熱器實際工作特點(diǎn)，合理控制防腐層的厚度，在滿足設(shè)備防腐功能的同時，確保換熱器設(shè)備正常使用，提高設(shè)備的使用效率[8]。

3.2 犧牲陽極的陰極保護(hù)法

化工換熱器的碳鋼材料處于電解質(zhì)溶液中會形成微電池，由于碳鋼材料的組成是滲碳體和鐵素體，滲碳體的電子電位比鐵素體低，兩者之間容易構(gòu)成原電池。滲碳體作為微電池的陰極，鐵素體作為電池的陽極，引起鐵元素的進(jìn)一步損失，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在發(fā)生電化學(xué)腐蝕的過程中，陰極和陽極之間產(chǎn)生的電流為腐蝕電流。犧牲陽極的陰極保護(hù)法是最常用的一種電化學(xué)防腐方法?？梢岳秒娀瘜W(xué)原理對陰極材料進(jìn)行保護(hù)，在被保護(hù)的金屬設(shè)備表面連接一個電極電位更低的金屬，比如在鐵材料設(shè)備中連接鎂、鋁、鎂鋁合金等材料，可以使被保護(hù)的金屬鐵元素作為陰極，增加的金屬作為陽極，保護(hù)陰極金屬材料，避免陰極被腐蝕。在化工換熱器設(shè)備常見的電化學(xué)腐蝕中，可以選擇比鐵素體電位更低的材料進(jìn)行保護(hù)，比如以鋁元素作為陽極，在電化學(xué)反應(yīng)作用下在金屬表面形成氧化膜，雖然并不會產(chǎn)生腐蝕電流，但氧化膜也會起到一定的防腐作用。常用的犧牲陽極材料為鋅金屬，其價格相對低廉且具有良好的陰極極化效果。換熱管陰極保護(hù)原理見圖1。

圖1 換熱管陰極保護(hù)原理

3.3 定期維修

工作人員在設(shè)備正常運(yùn)行的過程中，需要依據(jù)實際情況進(jìn)行定期清洗，有效避免換熱器沉積物和微生物繁殖而引起腐蝕，保證機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，降低設(shè)備磨損腐蝕的概率，提高設(shè)備的使用壽命。首先要制定切實可行的日常維護(hù)制度，合理規(guī)劃防腐檢查工作以及換熱器維護(hù)工作，開展安全生產(chǎn)教育，提高工作人員的安全生產(chǎn)意識，落實獎罰分明的激勵制度，提高員工防腐工作的積極性，貫徹落實換熱器防腐新理念，使得工作能夠與時俱進(jìn)，保證防腐效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，化工設(shè)備換熱器在化工生產(chǎn)過程中起著十分關(guān)鍵的作用，直接關(guān)系著化工企業(yè)的生產(chǎn)效益?；ぴO(shè)備換熱器由于工作介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)，容易發(fā)生腐蝕問題而影響設(shè)備的使用壽命和使用性能，因此必須加強(qiáng)對化工設(shè)備換熱器腐蝕類型和常見防腐問題的研究，總結(jié)有針對性的防腐方案，提高化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。