換熱器腐蝕機理分析、防腐和維護

王德水

（中國神華集團煤化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

換熱器種類有很多種，根據用途主要有加熱器、熱交換器、再沸器、冷卻器四種。換熱器也因此應用在不同的工業系統，其形式與結構也會發生較大的變化。換熱器在石油化工、煤化工、煉油等相關行業中起到了不可或缺、舉足輕重的作用。在不同工作環境下的換熱器也應改有不同的設計方案，如在不同溫度、不同流體、腐蝕性強弱、氣壓強弱等物理環境條件下，換熱器的結構和選材不同的。滿足工作環境要求主要是通過選擇適合設備各部位的材料，同時還要考慮換熱器合理的防腐工藝，將設備的服役效果升級。

1 換熱器的腐蝕原理

大部分換熱器的組成材料為金屬，因不同工作環境而發生金屬腐蝕。據相關資料了解，每年因腐蝕損失掉大量金屬，給企業乃至國家帶來巨大的經濟損失。如果采取合理的防腐措施，可以大大降低金屬腐蝕。換熱器中各部分材料大多為碳鋼或不銹鋼等，可以根據材料組分來探究腐蝕原理。換熱器的金屬腐蝕按照腐蝕機理為兩類：化學腐蝕和電化學腐蝕。

1.1 換熱器的化學腐蝕原理

換熱器化學腐蝕是金屬材料中的組分與所處工作環境的介質直接進行化學反應而造成的，如換熱器金屬管道的高溫氧化、垢下腐蝕、部件減薄穿孔等。

1.2 換熱器的電化學腐蝕原理

換熱器的電化學腐蝕是十分普遍的，換熱器電化學腐蝕是由于金屬和其所處環境發生電化學反應而造成的。從本質觀點上來看，換熱器的電化學腐蝕就是金屬表面的磁性氧化薄膜在水及溶液作用下發生電子流動的腐蝕。反應方程式是：陽極：Fe→Fe2++2e-；陰極：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2。陽極、陰極在金屬表面的反應方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2，生成保護膜：3Fe（OH）2→Fe3O4+H2+H2O。金屬材料在受到電化學腐蝕后，通常會生成保護層，迫使腐蝕不能繼續進行。換熱器介質中含氧、氫離子過多與氫氧根離子反應而造成金屬腐蝕。

（1）溶解氧過多。如果換熱器內液體中溶解氧過多，會生成Fe（OH）2，反應方程式為：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓，4Fe（OH）3+Fe（OH）2→Fe3O4+4H2O。

（2）氫離子過多。如果換熱器內介質中所含氫離子過多，致使Fe（OH）2不能生成，腐蝕更加劇。其反應方程式為：陽極：Fe→Fe2++2e-，陰極：2H++2e-→H2。

（3）氫氧根離子過多。雖然氫氧根離子對保護膜的形成起積極作用，但是在氫氧根離子濃度過高時，保護膜將因其濃度過高而被破壞。其反應方程式為：Fe（OH）2+2OH-→FeO22-+2H2O；Fe3O4+4OH-→Fe2-O+2FeO2-+2H2O。而后，含FeO22-的物質與含FeO2-的物質發生水解，生成OH-離子，其反應方程式為：FeO22-+2H2O→Fe（OH）2+2OH-；FeO2-+2H2O→Fe（OH）3+OH-。通過方程式可知：由于OH-離子沒有被消除掉，從而增加了換熱器的碳鋼與不銹鋼材的腐蝕速度。

（4）氯離子使腐蝕性增強，換熱器金屬材料均會在一定濃度的氯離子條件下發生電化學腐蝕，故要根據介質中氯離子的含量多少來確定使用哪一類金屬材料或者復合材料，以避免氯離子帶來不必要的電化學腐蝕。

2 避免換熱器過度腐蝕的主要手段

由于換熱器工作環境的特殊性，其表面間接或直接與腐蝕性物質相接觸，使換熱器的腐蝕嚴重。要延長換熱器的使用壽命，在換熱器組成材料上要多選取抗腐蝕性較強的金屬材料或非金屬材料，并且在材料選擇完成后，還要進行對金屬材料或非金屬材料的抗腐蝕化處理。但有時對金屬材料或非金屬材料的抗腐蝕化處理后，可能因接口處處理不合理，進而造成接口處的內部與外部的雙面腐蝕。故對接口時處理工藝，顯得尤為重要。除此之外，管道可能存留一些致使腐蝕性增強的物質，進而導致了金屬材料或非金屬材料的管道從內部開始腐蝕，最終使設備損壞、報廢。因此，要將金屬材料或非金屬材料的內部管道的一切物質排空、掃凈，以避免從內部開始腐蝕。通常增強換熱器的抗腐蝕性的幾種方法如下。

2.1 涂抹防腐蝕物質進行防腐

對換熱器的易腐蝕部位涂抹耐腐蝕性物質是增強換熱器抗腐蝕性的主要途徑之一?？梢詫⒔饘俨牧匣蚍墙饘俨牧系墓艿肋M行內部與外部雙面的涂抹耐腐蝕性物質，讓其表面形成一層耐腐蝕性保護層，以降低腐蝕速率。同時，該種方法的實行成本較低并且該種方法的效果也最為明顯。除此之外，在選擇涂抹防腐物質前、施工過程中及涂抹后按照一定的施工工藝、方案進行，要注意涂抹防腐的物質不能與換熱器的材料發生反應，并且要根據換熱器的材料的不同以及其接觸工作介質、工況等條件選取合適的涂層材料。

2.2 選取非金屬保護層作為涂層

該種方法的優勢在于非金屬材料保護層具有抗腐蝕性強的特點。比如，某些換熱器設備中涂抹特定的SHY-99 新型專業級防腐物質，這種SHY-99 新型專業級防腐物質的主要成分為：高分子防蝕、改性耐熱合成樹脂與各種耐高溫與耐腐蝕的特殊添加劑等。而后將強有力防腐性能的SHY-99 新型專業級防腐物質進行特殊防腐工藝的進行處理使其具有一定的抗酸性、抗堿性、抗油性、抗有機溶劑等特殊物理性質，故使用SHY-99 新型專業級防腐涂層的換熱器的壽命至少可以增加3 倍。

2.3 運用電化學保護法的方式

電化學保護法是通過將負電子引導至被保護的物質上，使該物質的表面具備腐蝕的正電子與負電子相結合，以達到靜電平衡，最終起到防腐的效果。該種方法主要分為兩種以犧牲陽極的陰極保護法與外加電源的陰極保護法。這兩種方法的效果根據具體條件也會不同。其中，犧牲陽極的陰極保護法是一種通過構造原電池的方式，讓被保護的部位物質作為陰極，得到電子，這種方法要求陽極物質要比陰極物質更加活潑，否則將起到相反的效果。而另一種外加電源的陰極保護法的原理是將電源的負極外連接在被保護的物質上，使被保護物質附近的腐蝕性陽離子的到電子，進而實現靜電平衡，最終起到消除腐蝕的作用。但是，這兩種陰極保護法的成本都較高，外加電源的陰極保護法是會持續消耗大量的電能，會消耗比陰極活潑的金屬物質，并且相關技術也未發展成熟，所以這種技術目前只在特殊情況下使用。

2.4 換熱介質中加入一定量的緩蝕劑

緩蝕劑，顧名思義，其具有減緩腐蝕的作用?？梢詫⒐ぷ鹘橘|中加入一定量緩蝕劑，以達到降低腐蝕甚至停止腐蝕的目的。然而，緩蝕劑不能過量，可能帶來一定的生產風險，如產品質量可能收到影響或者降低換熱介質的換熱性能。所以，在使用緩蝕劑時，要通過合理的、嚴格的計算，把控好換熱介質中加入的緩蝕劑的量。

2.5 海綿體除氧防腐技術

這種海綿體除氧技術優勢在于其具有含鐵量較高、疏松多孔、活性強的特點。其可以提供足夠空間讓氧氣能夠得到充分反應。其反應方程式為：陽極反應：Fe→Fe2++2e-；陰極反應：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2；總反應方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2↓。而后因氫氧化亞鐵在富含OH-的軟化水中易與氧氣發生反應，見生成溶解度很小的氫氧化鐵（Fe（OH）3），其反應方程式為：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。該海綿體除氧防腐技術經多年測試以后，可將氧氣的溶解度降到小于0.05 mg/L 的程度，從而解決了換熱器材料因氧氣融界過多而產生腐蝕的問題。

3 相關換熱器的維護手段

3.1 對換熱器進行檢查

因換熱器的運行環境具有腐蝕性物質的特點，換熱器因與具有腐蝕性物質常年接觸會加快相關構件的腐蝕速率，進而可能造成換熱器中流體介質的泄漏，引起較大的生產性事故，甚至社會性事故和大量經濟損失。制定程序性時間與檢查步驟對換熱器進行檢查是有效減小安全隱患發生可能的措施。在檢查時，應遵守換熱器相關設備的檢查注意事項，進行規范的換熱器檢查步驟，以避免引起不必要的損失。同時，還要針對是否外漏、是否內漏等關鍵性方面進行重點監測。如果檢查出相關換熱器的安全問題一定要及時進行上報與檢修，以減小換熱器的安全問題帶來的裝置停運或者部分裝置停運的可能，以便將換熱器的利用率最大化。

3.2 維修的針對性

在對換熱器進行合理的程序性時間與程序性檢查步驟后，如若發現安全隱患，要及時針對損壞或待損壞的部位進行針對性的維修。比如：在換熱管因腐蝕或其他原因而引發的管壁的減薄或管壁發生穿孔，要將換熱管進行更換。還要對溫度變化的部位與換熱管膨脹的、收縮的進行防腐蝕處理，還要注意流通換熱管接口的特殊性，對流通換熱介質管道接口進行防膨脹、防泄漏、防銹處理?？梢酝ㄟ^補脹、補焊等方式進行處理。

3.3 換熱器的清洗方面

不同的換熱器因其結構的不同或其中所含雜質（主要致腐物質）的不同，清洗方式也不盡相同。而清洗主要也分為兩種：機械清洗和化學清洗。

3.3.1 機械清洗

機械清洗是一種大多數情況下采用高壓射流的清洗方法。這種方法多使用在化學清洗后，將碳化物垢層進行處理。機械清洗的具有對設備磨損程度小、經濟成本低的特點。在清洗之前，常常會進行預實驗，以得到合適的水壓清洗范圍，以避免水壓過低而引起的清洗效果不理想與水壓過高而造成對設備的損壞。通常情況下，水壓下為（50～70）MPa。機械清洗可以進行對管內與管外以及外殼內壁等部位的清洗。在對碳鋼或不銹鋼材料組分較多的換熱器進行機械清洗時，要控制好水中Cl-的濃度，以避免造成不必要的損失。

3.3.2 化學清洗

化學清洗分為很多種，比如：對換熱器進行栲膠與堿劑清洗、鹽酸清洗等。以下是幾種具體的化學清洗的原理。

（1）栲膠與堿劑的化學清洗方式。該種方式時通過將栲膠與堿性化學試劑同時使用在換熱器需清洗的部位以便起到協同清洗的作用。它的清洗效果是因為它具有以下3 個作用：①剝離作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分（單寧）具有一定的滲透性，可以滲透至水垢與換熱器的碳鋼或不銹鋼之間，并可以在該部位通過化學法應形成酸鐵保護層，從而使水垢與換熱器金屬材料難以結合，最終達到水垢剝離的目的；②改變晶體結構作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分可以與硫酸鹽水垢發生化學反應，該化學反應將難以除去的硫酸鹽水垢結晶的致密棒狀結構改變為網狀結構，從而易于除去；③疏松作用。這種作用是由于栲膠中的主要成分（單寧）易在堿性條件下發生水解生成沒食子酸，也稱“棓酸”。這種化學物質對具有垢層的金屬離子發生絡合反應，進而因其特殊的碳酸性質的水垢溶解性，極大的促進了碳酸性質水垢的結構發生疏松，最終起到將碳酸性質水垢脫下的目的。

具體的除垢方法：在具體使用該方法之前，可以通過進行預實驗，以得到相關數據，從而根據相關數據來控制加入栲膠的量。一般情況下，1 t 水添加（5～10）kg 栲膠。這種栲膠與堿劑清洗的化學清洗方式，擁有對金屬損傷小、操作簡單以及安全性強的特點，并且它的經濟成本較低。

（2）鹽酸清洗方式。鹽酸清洗具有成本低、應用廣的特點。很多化學清理方式中都有鹽酸的存在。其主要具有幾種作用：①剝離作用。通過鹽酸對換熱器金屬材料氧化物的溶解，進而將金屬與水垢之間的結合破壞，最終使水垢剝離；②溶解作用。通過鹽酸與碳酸鹽水垢發生化學反應而將水垢轉化成易溶解的物質，進而將水垢除去；③疏松作用。因硅酸鹽與硫酸鹽成分的水垢不能與鹽酸直接發生化學反應而除去，但是可以通過鹽酸溶液環境將碳酸鹽與富含鐵的氧化物經過互相作用，使水垢的結構變得疏松，進而通過鹽酸的作用，使水垢除去。鹽酸因其會對換熱器的碳鋼和不銹鋼部分產生基礎腐蝕，所以在清洗時，一定要注意加入一定量的緩蝕劑，以避免基本腐蝕給換熱器帶來的負影響。與此同時，在進行鹽酸清洗液的配制時，要注意佩戴好防護用具，以避免鹽酸給配置人員帶來不必要的傷害。除此之外，適宜的溫度也對鹽酸清洗起到積極作用，因為在溫度過高時，鹽酸具有揮發性，會造成鹽酸的損失；溫度過低時，化學反應速率較低、反應速度過慢，對換熱器的清洗效果不理想。溫度一般保持在（40～60）℃。而且鹽酸的濃度在反應過程中具有變化較大的特點，化學反應中后期時，鹽酸的濃度一般較低，反應速率緩慢。此時可向鹽酸清洗中后期時，加入一定量的鹽酸，來保證鹽酸濃度從而保證清洗速率和清洗效果。

（3）海綿球清洗方式。由于換熱器內部難以進行常用的清洗方式，常常用海綿球對換熱器內部進行內部清洗。在清洗之前要根據換熱器的垢層材料與具體使用環境等因素，對不同類型的海綿球進行選擇。一般情況下，砂式型海綿球應用于硬度大的垢層。將海綿球深入換熱器內部，進行不斷地摩擦，進而起到將垢層除去的效果。

4 結束語

我國現代工業發展迅速，而換熱器作為某些相關工業的不可或缺的設備，因此，換熱器的防腐和維護是十分關鍵的。換熱器的防腐與維護工作相當復雜的，相關行業內的換熱器防腐與維護人員要積極做好換熱器的防腐與維護工作，以起到在保證相關工業正常運轉的同時，將換熱器的壽命期限延長的作用。除此之外，還要創新開發出新的防腐與維護方案，以改進傳統的防腐與維護方案。