張春勝

（甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

換熱器作為化工行業(yè)中常見的熱能交換設(shè)備，該設(shè)備工作的介質(zhì)不僅伴隨著高溫與高壓的惡劣環(huán)境，同時(shí)介質(zhì)本身具備強(qiáng)烈的腐蝕性，使換熱器在運(yùn)行中受到腐蝕的巨大威脅。一旦換熱器被腐蝕，很容易導(dǎo)致管束泄漏、安全事故的發(fā)生。但是基于其本身工作環(huán)境的惡劣程度，環(huán)境中介質(zhì)物理與化學(xué)性質(zhì)存在巨大差異，因此所導(dǎo)致?lián)Q熱器損壞的方式也存在一定的不同，但是90%以上的損壞都是由腐蝕所引起的。且一般換熱器都是由金屬材料所制作的，工作環(huán)境大部分都是高壓高溫這種苛刻的條件，此時(shí)的換熱器會(huì)直接接觸到介質(zhì)，在熱量交換的基礎(chǔ)上造成換熱器腐蝕。

1 換熱器工況分析

基于化工生產(chǎn)的需求與要求，本換熱器為立式單程固定管板式型式，其發(fā)生腐蝕失效的問題，管程壓力為0.21 MPa。換熱器進(jìn)口與出口的工作溫度分別為61.7 ℃和60.6 ℃。同時(shí)三氯氫硅工作壓力為0.45 MPa、循環(huán)冷卻時(shí)進(jìn)口溫度約為26 ℃；出口溫度約為35 ℃。基于換熱器自身運(yùn)行介質(zhì)的特征，循環(huán)冷卻水以敞開方式運(yùn)行，可與大氣直接接觸散熱，一般以流傳熱、蒸發(fā)與輻射等三種方式來進(jìn)行熱量的散發(fā)[1]?；诙啻伟l(fā)生腐蝕的問題分析，需對本次換熱器所使用的循環(huán)冷卻水介質(zhì)的pH 值、電導(dǎo)率、總堿度和總鐵變化進(jìn)行分析。

2 換熱器管束腐蝕實(shí)效分析

2.1 實(shí)效方案制定

基于換熱管束腐蝕失效的問題分析，探討該問題發(fā)生的原因，并提出切實(shí)有效的防腐方案，具體的實(shí)效分析防腐方案內(nèi)容如下：

1）結(jié)合化工廠實(shí)際調(diào)查換熱器的腐蝕情況，在現(xiàn)場對換熱器的材料進(jìn)行搜集，采取電鏡掃描的方式，觀察腐蝕局部特征。

2）對管束機(jī)體中的材料進(jìn)行化學(xué)成分的詳細(xì)分析，如腐蝕產(chǎn)生的產(chǎn)物、金相組織與化學(xué)成分等內(nèi)容；

3）將收集的腐蝕管束材料切割成為1 cm×1 cm的方塊，先利用銅絲的焊接將其作為導(dǎo)線，隨后使用環(huán)氧樹脂涂封非工作面所制成的電極，制作動(dòng)電位極化曲線，并分析具體的腐蝕性能；

4）根據(jù)換熱器實(shí)際工況，綜合分析其基體材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)和腐蝕的機(jī)理，確定換熱器發(fā)生腐蝕實(shí)效的實(shí)際原理和原因，并提出針對性的防腐措施。

2.2 理化檢測換熱器管束的流程

2.2.1 宏觀角度觀測

在冷凝器上截取多根被腐蝕的管束進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些管束內(nèi)部都具有金屬光澤，且現(xiàn)象十分明顯，但是沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕的痕跡，只發(fā)現(xiàn)存在兩處十分簡單的機(jī)械損傷點(diǎn)。另外，在實(shí)際化工工作開展期間，一般冷凝器管束發(fā)生腐蝕的區(qū)域都是其外壁，并且距離管板20 cm 的位置十分明顯且居中，在發(fā)生腐蝕之后，被腐蝕的區(qū)域明顯變薄，外壁也存在差異大小的腐蝕坑，這些腐蝕坑的存在也表示該管束有著泄漏的傾向。

2.2.2 分析機(jī)體的化學(xué)成分

對管束基體化學(xué)成分進(jìn)行分析，探討其內(nèi)部的成分比例是否滿足要求，基于國標(biāo)10 號鋼材標(biāo)準(zhǔn)對比，具體分析結(jié)果如表1。經(jīng)過對比與分析，該管束基體材料符合國標(biāo)規(guī)定。

表1 腐蝕管束材料基體的成分

2.2.3 基體金相組織分析

在對換熱器管束的不同基體位置分析后，其金相組織均有著沒有明顯差別和十分明顯的界限，二者均表現(xiàn)為“鐵素體+珠光體”。因此可以得出結(jié)論為，金相組織并不是導(dǎo)致管束腐蝕的主要原因。

2.2.4 管束不同位置的SEM和EDS 形貌觀察

基于樣品的編號分析：0 號樣品位置沒有腐蝕現(xiàn)象，其屬于管板在管子伸入后的位置；1 號樣品位置腐蝕嚴(yán)重，其屬于距離管板15～20 cm 之間管子接近位置；2 號樣品腐蝕不夠明顯，其距離腐蝕位置較遠(yuǎn)。

在這些不同編號的的取樣腐蝕形貌觀察上分析結(jié)果可知，在沉積物中除含有鐵元素之外，其中還包含一些不含金屬、基體本身所含有的Ca、Mg 和K 等。結(jié)合這些信息的分析，可對這些成分的來源做出初步判斷，其中冷卻循環(huán)水是其主要的來源。

2.2.5 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析

取樣編號與物質(zhì)顯示顏色內(nèi)容如下：

1）0 號，換熱器殼程取樣；

2）1 號，處于管束垢樣最外層，物質(zhì)呈現(xiàn)土黃色；

3）2 號，管束垢樣紅褐色物質(zhì)；

4）3 號，處于管束垢樣最內(nèi)層物質(zhì)，呈現(xiàn)黑褐色。

由上述分析可了解，16MnR 為0 號樣品的殼體的材質(zhì)，F(xiàn)e2O3和FeO（OH）3為腐蝕產(chǎn)物的主要成分。

3 換熱器的防腐措施運(yùn)用

基于本次換熱器的腐蝕行為，且管束為碳鋼材料，可采取電鍍Ni-P 合金在管束的表面實(shí)現(xiàn)防腐功能。

3.1 電鍍Ni-P 合金工藝流程

電鍍工藝如圖1 所示。

3.2 電鍍的防腐性能

1）本次使用高溫爐來灼燒金屬鍍層，再進(jìn)行冷卻，看其表面是否存在鼓泡和脫落的現(xiàn)象，這也是分析電鍍Ni-P 合金在管束表面牢固性程度的主要方法。在不同溫度的灼燒下，根據(jù)鍍層金屬被灼燒的溫度表現(xiàn)不同采取差異性的冷卻方法[2]。如果溫度在500 ℃的恒溫條件下，那么需經(jīng)過10 h 之后，利用水冷的方法對鍍層金屬進(jìn)行處理，此時(shí)其表面會(huì)呈現(xiàn)淡藍(lán)色；而如果溫度在700 ℃恒溫條件下，那么則需要將其放置8 h 后，利用空冷辦法進(jìn)行處理，此時(shí)鍍層金屬呈現(xiàn)綠色，且不會(huì)存在鼓泡等問題。因此可以明確的是，該鍍層金屬的附著性能良好。

2）為了在循環(huán)水中探討該鍍層金屬的耐腐蝕性效果，本次設(shè)計(jì)三電極體系，來對其進(jìn)行動(dòng)點(diǎn)位的掃描作業(yè)，所使用實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。

在實(shí)驗(yàn)期間，碳鋼管束的Ni-P 鍍層為工作電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極。電化學(xué)測試儀器使用CHI660E 電化學(xué)工作站，電極試樣的工作面積為1 cm×1 cm，實(shí)驗(yàn)掃描率為2 mV/s。電位掃描的范圍為“-10～100 mV”，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

由此可知，碳鋼鍍層金屬在循環(huán)水中的動(dòng)點(diǎn)位掃描曲線具備鈍化金屬陽極極化的曲線特點(diǎn)，且在極化期間，陽極電流的密度大多數(shù)都較10-6A/cm2低，當(dāng)極化點(diǎn)位增加時(shí)，陽極極化的電流密度沒有明顯的變化，有著良好的耐腐蝕性，證明本次所使用的防腐措施對于換熱器管束腐蝕有著明顯的效果和作用[3]。

3.3 定期維修

除去上述特定的防腐方法實(shí)施之外，還需要工作人員在設(shè)備正常運(yùn)行期間結(jié)合實(shí)際情況來進(jìn)行定期的清洗作業(yè)，避免換熱器上一些微生物和沉積物的大量繁殖所導(dǎo)致其本體腐蝕的問題發(fā)生。這樣不僅可以保障化工設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也可減少設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的磨損率，使這些工業(yè)設(shè)備被長期使用。

1）需要結(jié)合化工作業(yè)的內(nèi)容制定可行性較強(qiáng)的設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)計(jì)劃方案，合理規(guī)劃設(shè)備防腐作業(yè)的檢查與維護(hù)內(nèi)容；

2）對工作人員開展安全生產(chǎn)培訓(xùn)與教育，提升工作人員的安全生產(chǎn)意識與理念；

3）以獎(jiǎng)罰分明的激勵(lì)制度來提升工作人員工作主動(dòng)性與積極性，及時(shí)掌握設(shè)備防腐工作的相關(guān)技術(shù)與措施，保障設(shè)備防腐效果的同時(shí)促進(jìn)化工生產(chǎn)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

化工設(shè)備換熱器由于其工作環(huán)境存在強(qiáng)腐蝕性的特征，一旦發(fā)生腐蝕問題很容易產(chǎn)生管束泄漏、影響生產(chǎn)安全的問題。因此需要結(jié)合金屬鍍層與定期維護(hù)與保養(yǎng)等防腐措施來保障換熱器的長期使用，實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)工作的可持續(xù)發(fā)展。