換熱設備的腐蝕與防護

劉云峰

(新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838000)

安全隱患是埋藏于化工生產過程中的隱形炸彈，通常情況下，它會被抑制，但當正常條件被破壞，安全隱患就會爆發，最終演變成事故。氯堿化工設備作為化工生產常用設備，其腐蝕問題就是可能破壞正常條件的不穩定因素，因此必須重視腐蝕問題并制定控制措施，防止其逐漸發展而導致生產事故的突然爆發。

1 金屬腐蝕

金屬材料受周圍介質的作用而損壞，稱為金屬腐蝕。金屬的銹蝕是最常見的腐蝕形態。腐蝕時，在金屬界面上發生化學或電化學多相反應，使金屬轉入氧化(離子)狀態。這會顯著降低金屬材料的強度、塑性、韌性等力學性能，破壞金屬構件的幾何形狀，增加零件間的磨損，惡化電學和光學等物理性能，縮短設備的使用壽命，甚至造成火災、爆炸等災難性事件。金屬的腐蝕現象非常普遍，如鐵制品生銹(Fe2O3·xH2O)，鋁制品表面出現白斑(Al2O3)，銅制品表面產生銅綠[Cu2(OH)2CO3]等。

金屬在腐蝕過程中所發生的化學變化，從根本上來說就是金屬單質被氧化形成化合物。金屬腐蝕的途徑一般有兩種：化學腐蝕和電化學腐蝕。 化學腐蝕是金屬表面與周圍介質直接發生化學反應而引起的腐蝕。電化學腐蝕是金屬材料(合金或不純的金屬)與電解質溶液接觸 , 通過電極反應產生的腐蝕。大多數的金屬腐蝕都屬于后者，構成金屬腐蝕的條件主要是電解質溶液中存在電位差；在腐蝕電池的陰、陽極之間，要有連續傳遞電子的回路。金屬腐蝕有點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕、均勻腐蝕、磨粒腐蝕等。

2 影響換熱設備腐蝕的因素

2.1 循環水水質

循環水主要包含濁度、pH值、總鐵、總硬度、濃縮倍數等指標，新疆圣雄氯堿有限公司(以下簡稱“新疆圣雄氯堿”)對循環水進行了嚴格控制，濁度<20 mg/L、pH值7～9.3、總鐵質量濃度<1 mg/L、總硬度≤1 100 mg/L、氯離子質量濃度≤700 mg/L等。指標往往能夠正確反映換熱器使用狀況，但并不能真實反映特殊情況下對換熱設備的影響。

(1)濁度粒徑為1 nm～1 μm，也就是通常所說的膠體物質。濁度主要由循環水冷卻時帶入，另外是管道及設備上剝離的雜質。新疆圣雄氯堿所處地域在春、夏、秋季節時多風，更易將沙塵帶入循環水系統，再進入換熱設備，沉積在換熱管束、封頭內壁，長此以往，積垢形成，不但影響換熱效率，還會形成垢下腐蝕。

(2)pH值如果低于7，循環水偏酸性，在長期運行下會不斷對設備內表面鈍化層進行瓦解腐蝕，腐蝕層會出現兩種發展方向：一種是腐蝕層被沖刷，繼續腐蝕設備內壁；另一種是溶液濃度上升，個別區域形成點蝕，點蝕會將垢下腐蝕發展滲透到設備內壁更深處，外面就會形成明顯的垢瘤，去除垢瘤，會看到凹凸不平的腐蝕后的坑洼，嚴重時腐蝕穿透，介質互串或泄漏到外面，導致危險的產生。

(3)氯離子含量超標會破壞金屬或合金表面的鈍化膜，引起金屬的點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕。天然水中普遍存在的腐蝕陰離子，有極高的極性促進腐蝕反應，又有很強的穿透性，穿透金屬表面的保護膜，造成縫隙腐蝕和孔蝕，特別是奧氏體不銹鋼造成腐蝕開裂，危險很大。內應力及氯離子的催化作用，先是縫隙、點蝕、溝槽，然后開裂，因為在縫隙、污垢、內應力高、水流速度低的地方氯離子濃度高，溶液富集處的腐蝕就會不斷犧牲鐵單質而形成氯化鐵等氧化物。

2.2 換熱管材質

換熱管材質一般有20#鋼、304不銹鋼、鎳、鈦、TP2磷脫氧銅等，這里重點討論20#鋼。20#鋼是氯堿化工最常見的換熱管材料，主要優勢是成本低、換熱效率高；缺點是易腐蝕，例如與氯離子產生反應等。如果換熱管是非正規廠家生產，未按照文獻[1]進行冷拔熱處理、超聲波探傷檢測等，就不能發現換熱管中的缺陷。這些缺陷將在使用過程中成為被腐蝕薄弱點，運行一段時間將會造成腐蝕，腐蝕介質甚至會通過薄弱點泄漏。

2.3 焊接質量

一臺設備的連接有鑄造成型、支模澆筑成型、法蘭連接、焊接等形式，常見氯堿換熱設備是通過焊接將換熱管與殼程、管板進行組對成型，焊接質量就成為極其重要的因素；另外，焊接電流也會影響整體焊接質量。

3 氯堿化工換熱設備防腐措施

3.1 循環水水質管控措施

(1)針對循環水濁度偏高、時有波動的問題，新疆圣雄氯堿采取源頭治理和末端預防相結合的措施，解決了循環水源濁度高的問題。源頭治理的措施包括：在循環水冷卻塔與循環水池之間安裝逆向百葉窗，通過百葉窗降低因風沙大而刮入的塵土；在循環水泵進口安裝大孔過濾網，對較大雜物進行過濾；每隔3年對循環水池底部的泥沙進行清理；每月定期注入新水對舊水進行置換(須考慮所處地點水源獲取的難易程度及成本)。對于末端預防，在此舉例說明。2020年拆檢時發現1臺循環水換熱設備列管積垢嚴重，通過分析該換熱設備操控情況，發現是循環水閥門開度控制太小，甚至停用，導致泥沙沉積在換熱器列管表面，管殼產生垢下腐蝕，所形成的濃溶液加劇了設備內壁的電化學腐蝕。管控措施是：將該換熱設備的循環水閥門開度調至最大，提高循環水通量及流速，及時沖散泥沙，效果良好。

(2)水質pH值管理方面，通過定期檢測，添加助劑中和酸度，使pH值始終維持在指標段位。

(3)對氯離子的防腐措施。由于循環水中須加入次氯酸鈉溶液以降低循環水中的COD、BOD，這又會增加氯離子的含量。對此，通過控制循環水中次氯酸鈉的加入量，定期定量加入緩蝕阻垢藥劑(化學方法除去氯離子)，并采用新水置換等措施確保氯離子含量在要求范圍。

(4)循環水水質檢測。在加強水質監控方面，定期取樣分析，做趨勢圖，察看數據變化情況；同時，采取換熱器、重點設備掛片觀測等監測措施。在定期檢查清理換熱設備時，通過分析并積累垢樣的變化情況及其對換熱材質的腐蝕數據，及時找到真正原因并采取改善措施。

3.2 焊接質量

在換熱管材質及焊接方面，首先選擇合格的換熱管，換熱管必須符合文獻[1]的要求(利用光譜儀抽測換熱管質量)。焊接前對焊接部位進行徹底清理，尤其雜物、水分、氧化層、油污等，確保焊接質量，同時對焊條進行保溫至少4 h；焊接全程采用氬弧焊，能有效降低飛濺；焊接完畢后，嚴格進行打壓試漏。還應采取非常有效的末端預防技術，對換熱流體側定期涂刷酚醛改性環氧樹脂涂層，利用其良好的耐腐蝕性能，阻隔循環水對換熱管內表面的腐蝕。該措施能有效保護換熱管束不被腐蝕，通常使用周期達3～5年。

4 結語

通過對氯堿化工循環水換熱設備的腐蝕原理進行分析，得出水質、焊接質量、操作影響等均會對換熱設備帶來不同程度腐蝕的結論，同時提出了針對性的防腐措施。