操作條件對循環冷卻水系統腐蝕和結垢的影響

劉 芳，張桂芝，夏 璐，楊 飛，常 新，趙朝成

（中國石油大學（華東）化學化工學院，山東 青島 266555）

應用技術

操作條件對循環冷卻水系統腐蝕和結垢的影響

劉 芳，張桂芝，夏 璐，楊 飛，常 新，趙朝成

（中國石油大學（華東）化學化工學院，山東 青島 266555）

將達標排放的煉油廢水經深度處理后回用于循環冷卻水系統，是石油、石化行業節水減污一個行之有效的辦法，但腐蝕和結垢則是實際應用中存在的嚴重問題。本文在動態模擬循環冷卻水系統中，考察了流速、溫度等因素對腐蝕和結垢的影響。研究表明，對于不銹鋼試管，流速的變化只對點蝕速度有影響。其中，在1.0 m/s時點蝕最厲害，在0.5 m/s時點蝕最弱。流速的變化對試管腐蝕影響較小，只有個別時間存在腐蝕情況。對于不銹鋼試管，溫度的變化只對點蝕速度有影響，30 ℃對點蝕速度的影響最大，在20 ℃時點蝕最弱。溫度的變化對試管腐蝕影響較小，只有個別時間存在腐蝕情況，隨溫度的增加冷卻系統管壁結垢現象逐漸明顯。無論從抑制系統結垢還是避免阻垢劑失效的角度來看，系統的溫度應控制在30 ℃以內。

循環冷卻水；流速；溫度；腐蝕；結垢

在人類用水總量中，工業用水占了很大的比例，而冷卻水占整個工業用水的80%左右[1]，且對水質要求并不苛刻。因此將深度處理后的污水回用于冷卻水系統具有很大的潛力。由于煉油廢水富含有機物和各種離子，可以提供微生物生長必需的營養成分，為微生物的生長提供了良好的條件，從而導致微生物大量繁殖。微生物的滋生會引發一系列問題，如換熱效率下降、能耗增加、填料膜堵塞、維護管理費用增加、系統壽命縮短、運行成本提高等。

生物膜是有效的隔熱體，在厚度相同的情況下，其導熱率僅為碳酸鈣的25%，這種極低的導熱性會降低換熱效率，增加能耗[2]。

生物膜會加重金屬的腐蝕。微生物及其代謝產物附著于金屬表面造成了與水體明顯不同的環境。在生物膜和管材的界面處形成低氧環境，這種環境為破壞性極大的厭氧微生物（例如硫酸鹽還原菌）提供了適宜的繁殖條件，進而導致MIC（微生物引起的腐蝕），這是一種隱伏的腐蝕形式，可導致局部點蝕，腐蝕速率要高于系統其它部位1000倍。在極端情況下，在很短時間內MIC就會導致設備穿孔、破壞，一旦如此，進行設備檢修的代價將是很大的[2]。

在循環冷卻水系統中腐蝕、結垢和生物黏泥這三大問題同時存在，生物黏泥又對換熱器的腐蝕結垢有影響。為了研究循環冷卻系統最適宜的操作條件，本文作者考察了溫度、流速與腐蝕、結垢之間的關系，以便得出控制生物黏泥生長的最優操作條件。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗所采用裝置為NJHL-C智能冷卻水動態模擬實驗裝置（南京工業大學）。NJHL-C智能冷卻水動態模擬實驗裝置主要由加熱器、掛片器、管道、風機、冷卻塔、補水箱、儲水箱、水泵、流量計、溫度計、控制柜、操作軟件等組成。整個裝置工藝流程圖見圖1。

1.2 操作條件

實驗操作條件如表1所示。

表1 NJHL-C智能冷卻水動態模擬實驗裝置操作條件

1.3 模擬用水

取某煉油廠循環冷卻水系統涼水塔下面的集水池的水作為接種水，用自來水和有機物配制的溶液作為補充水，用于模擬深度處理的煉油廢水。

2 結果與討論

2.1 流速對腐蝕、結垢的影響

圖1 NJHL-C智能冷卻水動態模擬實驗裝置工藝流程圖

設定裝置1、裝置2進口溫度為30 ℃，利用腐蝕在線監測儀，監測在流速為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時裝置運行的腐蝕、結垢數據。分別在每天的10：30、16：30、22：30記錄數據，連續記錄14 天。

2.1.1 流速對腐蝕的影響

流速對不銹鋼試管腐蝕影響的數據見表2。

表2 不同流速下的腐蝕數據表

由表2可知，對于不銹鋼試管，不同流速下，只有個別時間存在腐蝕情況，但不同流速下的試管時時存在點蝕，裝置運行一段時間后點蝕速度達到穩定，達到穩定時的點蝕速度大小排序為：1.0 m/s＞2.0 m/s＞1.5 m/s＞0.5 m/s。在1.0 m/s時點蝕最厲害，在0.5 m/s時點蝕最弱。

目前，國內外對于局部腐蝕形成機理研究的比較多，歸納共同點都認為點蝕形成的原因其一是與腐蝕產物膜的不均勻致密有關[1]；二是與流體流動對腐蝕產物膜的破壞有關[3-7]。在不同流速的作用下，腐蝕產物膜薄弱的地方先出現破損，露出沒有腐蝕產物膜保護的基體，這部分將會有較高的腐蝕速率。此外，在低流速條件下，流速的提高增加了氧的傳質過程，使鈍化和再鈍化能力提高，金屬鈍化占主導地位，沖刷作用相對較弱。在高流速下，流體對金屬表面產生的附加剪切力增大，固相顆粒碰撞金屬表面的速度和頻率也增大，沖刷作用占主導地位，隨著流速的提高，液固雙相流沖刷對表面膜的破壞作用加劇，導致鈍化膜剝落，金屬重新裸露出來，從而加劇了金屬的沖刷腐蝕[8]。

對于不銹鋼試管，流速的變化只對點蝕速度有影響。根據循環冷卻水的水質標準（GB50050—1995）[9]：碳鋼換熱器管壁的腐蝕速度小于0.125 mm/a；銅合金和不銹鋼的腐蝕速度小于0.005 mm/a。可見0.5～2.0 m/s流速范圍滿足循環冷卻水的水質標準。

2.1.2 流速對結垢的影響

污垢熱阻值是污垢傳熱系數的倒數，常用來表示污垢對系統的危害。本文作者檢測了不同流速下的冷卻水瞬時污垢熱阻、沉積率、垢層厚度變化曲線，流速對結垢影響的變化趨勢見圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）。

由圖2可以看出，系統的瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨冷卻水流速的增加而出現先降低后升高繼而又降低的趨勢。

在0.5～1.0 m/s范圍，瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。這是因為，隨流體流速的增大，水流的剪切力增加，在一定范圍內，一方面增加了CaCO3向壁面的傳質速率，另一方面流體中的游離細菌為躲避剪切力的作用而增加了向壁面遷移和附著的趨勢[10]，但是由于水流流速低，CaCO3傳質速率和細菌的附著力較弱，剪切力作用的增加占主導作用。因此，在0.5～1.0 m/s范圍，瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。在流體流速達到1.0 m/s時，剪切力的作用和垢層附著黏附作用持平，使得此時的瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達到最低值。

圖2 流速與結垢的關系圖

在1.0～1.5 m/s范圍，瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而增加。原因是在1.0 m/s時，剪切力的作用和垢層附著黏附作用持平，流速超過1.0 m/s，CaCO3傳質速率和細菌的附著力增加超過剪切力作用，前者占據主導作用。

在1.5～2.0 m/s范圍，隨著流體流速的增加，剪切力變得很大，污垢不易沉積在壁面，CaCO3和細菌未來得及向壁面遷移附著就被沖走。因此，在此流速范圍內隨著流體流速的增加，瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。

有關研究表明[11]，隨著流速的進一步增大，水流的水力沖刷作用進一步加強，當流速大于1.0 m/s時，污垢不易沉積在換熱器表面，但較大的流速同時會增大系統的腐蝕。綜合考慮流速對腐蝕結垢的影響，循環水的流速宜選擇在1.0 m/s，此時的瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達到最低值。

2.2 溫度對腐蝕、結垢的影響

設定裝置1、裝置2進口溫度分別為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，利用腐蝕在線監測儀，監測流速為1.0 m/s時裝置運行的腐蝕、結垢數據。分別在每天的10:30、16:30、22:30記錄數據，連續記錄14 d。

2.2.1 溫度對試管腐蝕的影響

溫度對不銹鋼試管腐蝕影響的數據見表3。

表3 溫度與腐蝕數據表

由表3可知，對于不銹鋼試管，在不同進口溫度下只有個別時間存在腐蝕情況，但不同進口溫度下的試管時時存在點蝕，裝置運行一段時間后點蝕速度達到穩定，達到穩定時的點蝕速度大小排序為：30 ℃＞35 ℃＞25 ℃＞20 ℃。在30 ℃時點蝕最厲害，在20 ℃時點蝕最弱。在不同進口溫度下的平均腐蝕速度都為0。對于不銹鋼試管，溫度的變化只對點蝕速度有影響，30 ℃對點蝕速度的影響最大，溫度對平均腐蝕速度無影響。

2.2.2 溫度對結垢的影響

溫度對結垢影響的變化趨勢見圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）。

圖3 溫度與結垢關系圖

由圖3可知，隨溫度的增加冷卻水系統管壁熱阻、沉積率、垢層厚度逐漸增大。當溫度較低時，熱阻、沉積率、垢層厚度隨溫度的變化較小，尤其25 ℃和30 ℃的熱阻、沉積率、垢層厚度變化趨勢差別更小；當溫度在30～35 ℃，隨溫度的增加，熱阻、沉積率、垢層厚度迅速增大。這是因為溫度的變化影響了CaCO3的介穩區的寬度。水中的Ca2+和CO32－并不是剛達到溶度積就開始析出晶體的，而是要溶液過飽和程度使得結晶力足夠大時，結晶才會開始，這段區域稱為介穩區。當水溫較低時，CaCO3的介穩區較寬，Ca2+和CO32－生成沉淀所需要的濃度較大，因此，產生的沉淀量較少；當溫度升高時，離子的活化能和擴散速度增大，使得結晶核碰撞的機會增多，使得CaCO3的介穩區變窄，生成沉淀所需的濃度降低，結晶速度加快，生成的沉淀增多。另外，材料表面能與溫度有關[12]，隨著溫度升高，表面能在一定范圍內增加，也會導致成垢量增大。不銹鋼在高溫運行時的抗垢效果較差。由圖可知，無論從抑制系統結垢還是避免阻垢劑失效的角度來看，系統的溫度應控制在30 ℃以內。

3 結 論

（1）對于不銹鋼試管，流速的變化只對點蝕速度有影響。其中，在1.0 m/s時點蝕最厲害，在0.5 m/s時點蝕最弱。流速的變化對試管腐蝕影響較小，只有個別時間存在腐蝕情況。

（2）隨冷卻水流速的增加，試管結垢現象呈現先降低后加快繼而又降低的趨勢。當流體流速到達1.0 m/s時，剪切力的作用和細菌附著作用持平，使得此時的瞬時污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達到最低值。因此，循環水的流速宜選擇在1.0 m/s。

（3）對于不銹鋼試管，溫度的變化只對點蝕速度有影響，30 ℃對點蝕速度的影響最大，在20 ℃時點蝕最弱。溫度的變化對不銹鋼試管腐蝕影響較小，只有個別時間存在腐蝕情況。

（4）隨溫度的增加冷卻系統管壁結垢現象逐漸明顯。當溫度較低時，尤其在25 ℃和30 ℃，熱阻、沉積率、垢層厚度變化趨勢差別很小；當溫度≥35℃，隨溫度的增加，熱阻、沉積率、垢層厚度迅速增大。無論從抑制系統結垢還是避免阻垢劑失效的角度來看，系統的溫度應控制在30 ℃以內。

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Effects of operating conditions on corrosion and fouling in circulating cooling water system

LIU Fang，ZHANG Guizhi，XIA Lu，YANG Fei，CHANG Xin，ZHAO Chaocheng
（College of Chemistry and Chemical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China）

It is an effective way to reuse the refinery wastewater after advanced treatment to the circulating cooling water system in petroleum industry. However，corrosion and fouling are two unfavorable problems in practical application. In this paper，effects of flow velocity and temperature on corrosion and fouling in dynamic circulating cooling water system were investigated. Results showed that the change in flow velocity was only influential to the point corrosion in stainless steel test tube，the most serious point corrosion formed at flow velocity of 1.0 m/s，the weakest point corrosion was found at flow velocity of 0.5 m/s. While，the change in temperature was similarly only influential to the point corrosion in stainless steel test tube，the most serious point corrosion formed at the temperature of 30 ℃，the weakest point corrosion was found at the temperature of 20 ℃. Meanwhile，the fouling in stainless steel test tube showed a sharp increase when temperature increased. To control the fouling formation and to avoid the invalidation of scale inhibitors，the temperature in circulating cooling water system should be controlled no higher than 30 ℃.

circulating cooling water；flow velocity；temperature；corrosion；fouling

A

1000–6613（2010）04–0772–07

2009-09-04；修改稿日期：2009-10-13。

國家自然科學基金（20707040）及污染控制與資源化研究國家重點實驗室開放課題（PCRRF08002）資助項目。

劉芳（1976—），女，博士，副教授，研究方向為水污染控制及水資源回用。E-mail liufangfw@163.com。