循環水換熱器腐蝕原因分析及改進措施

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)

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循環水換熱器腐蝕原因分析及改進措施

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)

針對裝置循環水換熱器腐蝕狀況，分析了裝置近幾年循環水中鐵離子含量、掛片腐蝕速率、pH值、鈣硬度、堿度、濁度和循環水流速等運行數據以及裝置前期清洗預膜情況，同時結合循環水水質運行相關標準、管理規范、裝置水質管理制度，查找出引起裝置循環水換熱器腐蝕的主要原因，即換熱器清洗預膜效果不佳，循環水中鈣硬度、濁度較高。提出了循環水系統后續運行中的改進建議。水處理車間通過采取優化工藝指標，加強水質過濾，調整循環水藥劑配比和投加方式，改進防沙器和排沙系統，優化清洗預膜方案等措施，使得碳鋼材質設備腐蝕速率控制在0.03 mm/a左右。2013—2016年循環水換熱器運行3 a,沒有發生腐蝕泄漏事件。

循環水 腐蝕 清洗預膜 換熱器

2012年某裝置大檢修期間，發現循環水換熱器均有不同程度的腐蝕，部分換熱器腐蝕極為嚴重。查閱近幾年循環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據存在異常。而循環水中鐵離子含量和掛片的腐蝕速率反映了循環水系統設備腐蝕程度。

1 換熱器腐蝕原因分析

1.1 結垢對換熱器腐蝕影響

影響結垢的因素包括污垢含量、氧濃度、換熱器溫度等。垢下封閉區金屬為陽極，陽極反應則是鐵的溶解[1]。垢層越厚，則越易在垢下產生腐蝕，并向縱深發展直至穿孔，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，換熱器結垢比較嚴重，機械清洗污垢以后，換熱器有明顯的坑蝕現象，這與垢下腐蝕結果相吻合。

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，水的導電性增強，也就加快了電化學腐蝕。其中鈣、鎂離子是換熱器結垢一個重要因素，GB50050—2007 《工業循環水處理設計規范》要求“鈣硬度+堿度”不超過1 100 mg/L，SH3099—2000 《石油化工給水水質標準》要求“鈣硬度+堿度”不超過1 000 mg/L。近幾年來循環水中 “鈣硬度+堿度”為1 050 mg/L(見圖1、圖2)，超過石油化工行業要求。高濃度鈣、鎂離子很容易造成換熱器結垢，引起金屬垢下腐蝕。

圖1 2011年循環水鈣硬度趨勢

圖2 2011年循環水總堿度趨勢

1.1.2 泥渣和粉塵砂粒等懸浮物

水中懸浮固體的增加會加大腐蝕速率，同時懸浮物的沉積還會引起沉積物下金屬的電化學腐蝕。循環水中濁度是判斷懸浮物多少的標志。濁度又是水質的綜合指標，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，濁度越低對減緩設備的腐蝕與結垢越有利。SH3099—2000《石油石化行業給水排水水質標準》中規定除煉油行業濁度不超過20 FTU，其他行業濁度不超過10 FTU。查看近幾年濁度分析指標(見圖3)，循環水濁度指標靠上線運行，而且存在超指標運行現象。因此，可以判斷出泥渣、粉塵、砂粒等懸浮物結垢，是引起換熱器發生電化學腐蝕原因之一。

圖3 2011年濁度趨勢

1.1.3 天然有機物群生物群體

循環冷卻水在循環過程中，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，易產生電化學腐蝕。同時一些微生物的新陳代謝過程也參與了電化學過程，促使腐蝕加速。異養菌代表了水中全部細菌的數量，因此，行業標準要求異養菌指標不超過1×105個/ m3，實際循環水中異養菌控制在12～1 300個/m3。

黏泥量可以直接反映出循環冷卻水系統中微生物的危害情況，行業標準要求黏泥量煉油不超過5 mL/m3；化纖、化肥不超過3 mL/m3；實際循環水黏泥量控制不超過0.35 mL/m3。

1.2 水中離子的質量濃度對腐蝕的影響

高質量濃度鹽類將使水的導電性增大，易發生電化學作用，增大腐蝕電流促使腐蝕加劇。循環水中Cl-和SO42-等離子的含量高時，會增加水的腐蝕性。Cl-不僅對不銹鋼容易造成應力腐蝕，而且還容易破壞金屬上的氧化膜，因此，Cl-也是使碳剛產生點蝕的主要原因[2]。通過分析近幾年循環水氯離子運行狀況可以發現：除裝置停車以外，氯離子質量濃度在300 mg/L左右運行(見圖4)，比較平穩。與行業標準要求氯離子質量濃度不超過700 mg/L相差較遠。

1.3 水的pH值對腐蝕的影響

pH值偏酸性時，則碳鋼表面不易形成保護膜，而且H+又是很好的去極化劑，促進腐蝕電池陰極電子的轉移，故pH值偏酸性時，其腐蝕速率要比pH值偏堿性時高。近幾年來，循環水pH值運行比較平穩，除全廠停車和循環水清洗預膜階段外，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。

圖4 2011年氯離子質量濃度趨勢

圖5 2011年pH值趨勢

1.4 水流速度對腐蝕的影響

一般來說，水流速度為0.6～1.0 m/s時，腐蝕速度最小。當然水流速度的選擇不能只從腐蝕角度出發，還要考慮到傳熱的要求，流速過低會使傳熱效率降低和出現沉積，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，流速不應小于0.3 m/s。該裝置部分換熱器冷卻水流速測量見表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象。

1.5 循環水清洗預膜對設備腐蝕的影響

化學清洗是將設備上的污垢、油污和黏泥等附著物通過添加藥劑的方法清洗掉，然后再添加化學藥劑使金屬表面附著一層保護膜，防止設備腐蝕。因此，化學清洗、預膜好壞對防止設備腐蝕有很大關系。

近幾年來，裝置清洗預膜工作均在藥劑廠家的指導下開展清洗預膜工作。通過查閱循環水清洗預膜方案以及與化學清洗預膜有關的資料，發現2010年換熱器預膜過程中未嚴格執行預膜方案。

2010年預膜方案要求pH值控制為自然(即循環水本身運行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年預膜期間實際pH值均控制在8.5左右，總鐵、濁度多點分析超標，總磷偏低(見表2)。

表2 清洗預膜工藝指標

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

2 循環水系統運行改進措施

為保障裝置安全平穩運行， 2013年3月對6臺腐蝕嚴重的換熱器進行整體更換，并開展了為期一年的循環水水質攻關，通過技術改造和提高循環水運行管理水平，降低了循環水系統腐蝕。

2.1 優化工藝指標和加強監控

根據水質特點和換熱器腐蝕現狀，進一步優化水質運行指標(見表3)，修訂完善工藝卡片，重點優化循環水中鈣硬度、堿度、濃縮倍數指標，降低水冷器結垢。提高總磷含量，提升防腐蝕能力。加強班組員工操作考核，杜絕出現超標運行現象，加強重點設備和重點指標的監控。

表3 修訂的工藝指標

2.2 改進防沙器和排沙系統

南疆地區沙塵天氣較多，對循環水中濁度影響較大，為降低沙塵天氣對循環水系統的影響，原始設計了防沙器，但運行效果不佳。2012檢修期間將原有腐蝕、堵塞的防沙管線進行更換，并在防沙線中間再增設進水管線，增大噴水壓力，在管線上設置了排污導淋閥，定期排污。同時對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，從建廠開始運行超過10 a，管線腐蝕較為嚴重，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下降較為明顯。

2.3 調整緩蝕阻垢劑配方和投注量

結合水冷系統腐蝕現狀，與水處理藥劑廠家研究，將先前使用的緩蝕阻垢劑配方進行改進，改進后的藥劑阻垢、緩蝕性能更好，抗污染能力增強。投加質量濃度由原先的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，提升循環水系統緩蝕阻垢效果。

2.4 吸水池進口過濾網改造

吸水池進口過濾器主要過濾循環水中較大的懸浮物，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，影響設備的換熱效果。2014年大檢修期間，在水池入口加裝四方形過濾籠，同時對涼水塔舊填料進行了更換。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 監測換熱器蒸汽加熱管線改造

腐蝕掛片監測換熱器是間接反應循環水系統運行狀況的重要設備，監測換熱器運行溫度要求不低于95 ℃。由于在初始建設期間，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，監測換熱器加熱溫度達不到運行指標。2013年裝置檢修期間，直接從0.35 MPa蒸汽管網引蒸汽至監測換熱器后，加熱溫度運行正常。

2.6 優化清洗預膜方案

2011年裝置檢修后清洗預膜采用液體預膜劑KF-615A，控制有機磷大于40 mg/L。2013年裝置清洗預膜前，在總結上周期預膜工作經驗教訓基礎上，討論細化了清洗預膜方案。并采用整體清洗預膜方式，使用預膜劑KF-260，控制總無機磷大于120 mg/ L，增加預膜厚度。

2.7 防止水冷器結垢

由于新鮮水總硬度超過300 mg/L，屬于高硬度水質，水冷器容易結垢。車間為每臺換熱器加裝循環水排污導淋，每周進行排污，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流速工作，調整循環水流速合格，降低換熱器腐蝕。

3 結 論

針對水冷器大面積腐蝕狀況，從審查管理標準、制度以及多年水質運行記錄、循環水裝置操作記錄入手，分析出2010年預膜效果不佳是引起裝置換熱器腐蝕主要原因，其次循環水硬度、濁度較高引起設備垢下腐蝕。在循環水系統后續運行中，裝置采取了優化工藝指標，降低循環水濁度、改進緩蝕阻垢劑配比等措施，降低循環水系統的腐蝕，并取得了很好的效果，裝置碳鋼材質設備腐蝕速率控制在0.03 mm/a左右，遠小于指標要求。

4 結 語

由循環水水質引起換熱器腐蝕是一個長期過程，潛伏期長，設備破壞面廣，往往對生產會造成較大影響，因此各級生產管理部門要高度重視，將循環水作為常態化管理。

[1] 金熙,項成林,齊冬子 .工業水處理技術[M].北京：化學工業出版社，2010：76-230 .

[2] 呂勝杰，程學群，段振國，等. 循環水中氯離子含量對碳鋼腐蝕行為影響規律的研究[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年畢業于長江大學，大學本科，現從事煉化工藝技術、工藝安全和科技管理工作。E-mail：281980058@qq.com