換熱器泄漏原因分析及對策

孫海崇

摘 要：近年，隨著原料重質(zhì)化、劣質(zhì)化，石油化工生產(chǎn)過程中冷換設(shè)備的腐蝕增加，且冷換設(shè)施自身質(zhì)量各不相同，對裝置安穩(wěn)、長久生產(chǎn)造成很大影響。石油生產(chǎn)企業(yè)使用的石油煉制成套生產(chǎn)裝置中，各種換熱器總價占據(jù)所有設(shè)備投資的20%至40%。故而，焊接質(zhì)量、腐蝕防護(hù)已然成為企業(yè)經(jīng)營與技術(shù)管理長期關(guān)注的焦點。

關(guān)鍵詞：泄露；腐蝕；制造；防護(hù)

換熱器是石油化工生產(chǎn)時使用最為頻繁的設(shè)備之一，其運行質(zhì)量直接決定了裝置是否能夠穩(wěn)定以及長時間安全運行，特別是在使用過程中發(fā)生內(nèi)漏，如不能及時發(fā)現(xiàn)，容易造成介質(zhì)互串、循環(huán)水污染，拆裝修復(fù)極為不便。因此，設(shè)法延長其使用時間，成為各個石油生產(chǎn)企業(yè)共同關(guān)注的問題。從全廠各裝置換熱器泄漏統(tǒng)計情況看，容易發(fā)生泄漏的換熱器主要為常壓裝置原油常頂油氣換熱器、初餾塔頂、常壓塔頂后冷器等位置，催化裝置分餾塔頂油氣冷卻器、油漿冷卻器及油漿蒸汽發(fā)生器等本文根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)結(jié)合生產(chǎn)實際進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)對策。

1 冷換設(shè)備腐蝕原因分析

冷換設(shè)備產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，往往是由于介質(zhì)中含有的H2S、單質(zhì)硫以及硫代硫酸等物質(zhì)中的一種或多種，在特殊的工作情況下同冷換設(shè)備所用材料互相作用形成的。腐蝕形式基本有兩種：電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕。

制作換熱器時，制作人員需利用手工電弧焊焊接管板和列管，焊接完成后，焊縫處往往存在不同形式的缺陷，且缺陷的程度也存在差異。如凹陷、氣孔以及夾渣等，焊縫處承受的應(yīng)力往往難以分布均勻。使用過程中，管板部分通常會接觸工業(yè)冷卻水，然而工業(yè)冷卻水中包含有鹽類、微生物以及氣體，上述物質(zhì)往往會腐蝕管板以及焊縫。這就是我們常說的電化學(xué)腐蝕。管板以及列管焊縫腐蝕的部分集中于孔和縫處。就外觀而言，管板表面存在較多因腐蝕而產(chǎn)生的物質(zhì)和積沉而成的物質(zhì)，分布著不同大小的凹坑。

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕也可理解為介質(zhì)腐蝕，換熱器在運行過程中，管板會觸及各類化學(xué)介質(zhì)，自然會受到化學(xué)介質(zhì)的影響，發(fā)生腐蝕。

換熱器管板發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的主要原因有以下三種：第一是介質(zhì)成分和濃度的不同，對換熱器管板的影響也有差異。以鹽酸為例，隨著鹽酸濃度的增加，腐蝕也會愈發(fā)嚴(yán)重。硫酸濃度達(dá)到50%左右，此時碳鋼以及不銹鋼所受到的腐蝕最為嚴(yán)重。但當(dāng)濃度達(dá)到60%，或是更高時，腐蝕現(xiàn)象反而會大幅降低。第二是溫度：腐蝕現(xiàn)象處于化學(xué)反應(yīng)，每當(dāng)溫度上升10℃，腐蝕的速度也會相應(yīng)加快，一般為1至3倍。第三是ph值：隨著ph值降低，金屬會更為容易受到腐蝕。

通常情況下，換熱器中，換熱管通過焊接的方法與管板相連，焊縫與之周圍出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的概率較大，原因如下：第一是焊縫造成了縫隙腐蝕。第二是焊接時，焊縫附近所承受的熱度不均勻，使得熱應(yīng)力（殘余應(yīng)力）出現(xiàn)，容易引起應(yīng)力腐蝕破裂。第三是其他還有因焊接工藝不良引起腐蝕。

1.2 垢下腐蝕

垢下腐蝕出現(xiàn)位置往往集中于冷卻器內(nèi)水程一邊。垢下水腐蝕出現(xiàn)的原因如下：冷卻水內(nèi)含有的溶解氧于水相及垢相的比例之間存在差異，形成了氧濃差電池進(jìn)而出現(xiàn)電化學(xué)類型腐蝕。此時冷卻水內(nèi)的氧已經(jīng)飽和。故而，水相中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，碳鋼表面作為陰極，垢相內(nèi)氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，碳鋼表面作為陽極。溶解氧對體系較為重要，具有去極化功能，換言之，垢相陽極出現(xiàn)二價鐵離子，而水相陰極則出現(xiàn)氫氧根離子，兩者通過化合反應(yīng)，可以出現(xiàn)氫氧化亞鐵這一具有腐蝕性的物質(zhì)。隨著溶液內(nèi)氧含量逐漸升高，水、垢相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距會隨之增加，陰、陽兩極所形成的電位差會相應(yīng)增加，更為容易造成垢下水腐蝕，逐漸向深處蔓延，直到管束發(fā)生穿孔現(xiàn)象，換熱器開始泄漏。較為常見的現(xiàn)象是當(dāng)冷卻器管束內(nèi)側(cè)運行完成一個周期之后，人們清洗時，可觀察到內(nèi)側(cè)存在腐蝕程度不等的凹坑。

2 如何避免換熱器泄漏

2.1 避免腐蝕的措施

2.1.1 涂抹TH-847防腐涂料

TH847型碳鋼水冷器是專門用于防腐的涂料，其是熱固化類型涂料，能夠于150℃高溫下長時間使用。TH847可作為多種材質(zhì)的防腐涂料。也能避免弱酸性介質(zhì)以及堿性介質(zhì)之間產(chǎn)生腐蝕，或是結(jié)垢現(xiàn)象。同時適用于多種石油工業(yè)換熱器的防腐工作。

涂抹847之后，換熱管所測得的傳熱系數(shù)保持穩(wěn)定，具有優(yōu)秀的綜合換熱表現(xiàn)。由于847涂層一般僅有200μm厚，通過測量這一厚度的847涂層垢以及冷卻器污垢系數(shù)上限，發(fā)現(xiàn)兩者相差較多，符合設(shè)計要求。即使長時間運行，因為涂層不容易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，相比沒有進(jìn)行防腐保護(hù)水冷器，其傳熱效果更為優(yōu)秀。沒有涂抹847的管束，由于氧化層以及垢層數(shù)量增多，傳熱效果相應(yīng)下降。847涂料具備優(yōu)秀的阻垢功能以及耐腐蝕性，于150℃之下運行較為安全、有牢固的黏著力，能夠避免與水、蒸氣、CL等和金屬碰觸之后，所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，使得設(shè)備的能夠長時間使用。

2.1.2 涂抹Ni-P化學(xué)鍍層

Ni-P鍍層為非晶態(tài)合金，也可稱之為金屬玻璃，具有抗腐蝕（耐H2S、Cl-），抗高溫（于380℃下仍可運行）效果良好等特點。在工業(yè)運用中可以發(fā)現(xiàn)，鍍層換熱器運行效果優(yōu)秀。故而，Ni-P化學(xué)鍍層換熱器在石化工業(yè)當(dāng)中的運用頗為頻繁。Ni-P鍍層耐蝕性受到設(shè)備運行時溫度的影響，盡量不要于溫度偏高的情況下使用。若溫度處于200℃之下，鍍層結(jié)構(gòu)可以正常運行，其耐蝕性并不會產(chǎn)生太大變化。若溫度處于260℃之上，鍍層結(jié)構(gòu)便會出現(xiàn)異常，鍍層當(dāng)中存在Ni3P顆粒，處于400℃之上，鍍層便出現(xiàn)結(jié)晶，導(dǎo)致鎳鍍層中P含量下降，耐蝕性隨之降低，出現(xiàn)的Ni3P造成鍍層收縮以及微裂紋，使基體直接受到介質(zhì)侵蝕。一般建議在380℃以下使用。

2.2焊接質(zhì)量影響及措施

焊接鋼制換熱器中換熱管與管板時，施工人員需確認(rèn)接頭處的密封效果，還需檢查接頭處的抗拉脫強(qiáng)度。這種焊接結(jié)構(gòu)中含有排列緊湊的單道焊縫，焊縫呈圓形，管板厚度較厚，換熱管壁厚與管板壁厚相差很大等。若施工人員焊接水平不高，或是在焊接過程中出現(xiàn)失誤，便會出現(xiàn)根部含渣、熔合效果不佳以及裂縫等現(xiàn)象。若焊縫中存在裂縫或是氣孔等現(xiàn)象，而在檢測過程中又沒有發(fā)現(xiàn)，便會為之后的運行埋下隱患，缺陷會逐漸擴(kuò)大，最終出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

2.2.1 保證焊接質(zhì)量的措施

為了保證管子與管板焊接的質(zhì)量與兩者之間的致密性，需要采取以下措施：嚴(yán)格清理焊接部位，保證預(yù)熱溫度分布均勻且熱透；正確選擇焊接電流和焊接速度等規(guī)范參數(shù)，盡量選用直徑較小的堿性焊條，焊條應(yīng)經(jīng)烘干后使用；正確選取焊縫起點部位，焊接起點與附近焊縫要保留較多的距離。

2.2.2 焊接接頭型式選擇

目前換熱器中的管子以及管板共有以下幾種接頭類型：端面接頭焊接式，內(nèi)孔角接頭式和對接內(nèi)孔接頭式、伸出角接頭式等三種，用得最多的是伸出角接頭型式。生產(chǎn)實踐證明，端面接頭型式焊縫更容易發(fā)生泄漏；伸出角接頭式使用安全可靠。

2.3 注意焊接以及脹接先后順序

先進(jìn)行脹接，之后進(jìn)行焊接，施工人員脹接過程中需使用潤滑油或潤滑劑，焊接前必須清理干凈。對于直徑較大的管板，管孔數(shù)以千計，清理工作不但困難費時而且要有專用設(shè)備；對管端要求拋光光度高；裝配及穿管時不能使油污進(jìn)入管孔，等等。這樣，不僅給施工增加了難度而且提高了制造費用；脹接后在間隙中存在的空氣、濕氣和水分，由于焊接時膨脹，它們不能從反面逸出，只能從熔池中沖擊，易造成熔池內(nèi)流體金屬翻滾，從而形成氣孔；焊接接近焊縫區(qū)域的溫度較高，使脹接應(yīng)力部分松脫，影響原脹的效果，甚至嚴(yán)密性也受到破壞。若先進(jìn)行焊接，之后進(jìn)行脹接，則對管子、管板的要求不像先進(jìn)行脹接，之后進(jìn)行焊接那樣嚴(yán)格，只要保持管端部及孔口焊接處干凈即可施焊。試驗結(jié)果表明，同樣在管板不經(jīng)嚴(yán)格去油清洗的情況下，先焊后脹效果較好，而先脹后焊的接頭質(zhì)量較差。有關(guān)專家認(rèn)為，先焊后脹是消除氣孔的有效措施之一。權(quán)衡利弊，推薦先焊后脹工藝，只要嚴(yán)格履行焊接工藝細(xì)則，采用適合的脹管器和脹接工藝，焊接質(zhì)量是可以保證的。

3 結(jié)語

首先是針對不同的工況制定不同的防腐方案，且要依據(jù)防腐材料自身優(yōu)勢與設(shè)備設(shè)計時所使用的介質(zhì)及其操作要求而定，科學(xué)設(shè)計與選取防腐措施，以便設(shè)備能夠長時間運行。其次是選擇合適的制造工藝，可有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量，延長設(shè)備的使用周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張忠凱，劉玉英. 列管式換熱器的泄漏分析及防漏措施[J]. 化工設(shè)備與管道. 2012（02）

[2] 張玉清. 換熱器泄漏原因及對策[J]. 化工施工技術(shù). 1998（02）

[3] 但天福. 二氧化碳壓縮機(jī)段間冷卻器泄漏原因分析及應(yīng)對措施[D]. 大連理工大學(xué) 2013

[4] 蘇興冶. 水冷器內(nèi)部泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 大連理工大學(xué) 2005