雙相鋼列管式換熱器在高氯循環水中的應用

楊文文，黎遠中

(新疆新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 831408)

列管式換熱器在化工行業大型裝置中被普遍采用。在實際生產中，碳鋼和奧氏體不銹鋼列管式換熱器在高氯循環水中存在結垢、腐蝕、磨損等問題，換熱性能不斷下降，甚至出現泄漏，給企業帶來較大的經濟損失。最近10年，我國在列管式換熱器防腐技術方面有較大進步，但其中某些“換熱器專用防腐技術”為保證在高氯循環水中的防腐性能而增加防腐厚度使其換熱效果欠佳。某多晶硅生產企業的列管式換熱器與高氯循環水接觸部分采用2205雙相鋼替代碳鋼或奧氏體不銹鋼，優化了列管式換熱器的局部結構，并采取措施提高雙相鋼換熱器的加工質量。改造后，取得了較好效果。

1 原因分析

該企業氯硅烷產品與循環水(氯離子質量分數大于4×10-4)進行換熱的冷卻設備為碳鋼材質列管式換熱器。使用1年后，拆開檢查出現：列管內壁存在不同程度的腐蝕和沖刷磨損，內壁污泥較厚，在列管與管板之間的大部分焊縫余高被沖刷，有的焊縫周圍有裂紋；列管壁沖刷磨損后減薄，有少量的列管出現穿孔。通過物理方法清洗后，進行渦流檢測，列管壁減薄量在40%左右，已不能繼續使用。分析認為，高氯循環水中含有少量固體顆粒等，當列管與管板焊接后存在殘余應力時，10#或20#碳鋼管耐腐蝕和疲勞強度差，也不耐磨損，甚至在列管上產生裂紋。碳鋼換熱器沖刷磨損、腐蝕減薄現象如圖1所示。

圖1 碳鋼換熱管沖刷磨損、腐蝕減薄圖

采用304L或316L奧氏體不銹鋼的列管式換熱器使用1年后，拆開檢查發現：在列管與管板之間有5%～10%的焊縫周圍出現裂紋，2%～5%的列管壁沖刷磨損減薄。原因如下：①奧氏體不銹鋼管耐磨性和耐腐蝕性比碳鋼管強，但在氯化物環境或在氯離子濃度較高的環境下，列管與管板之間的焊接接頭的熱影響區耐晶間腐蝕和耐應力腐蝕的能力比較差；②在加工過程中，列管與管板采用脹接，存在較大的殘余應力，奧氏體不銹鋼管很容易受應力腐蝕而開裂(見圖2)。

圖2 奧氏體不銹鋼換熱管腐蝕開裂圖

換熱器的泄漏影響了裝置的長周期穩定運行，因此，須采取有效措施，提高關鍵換熱器設備的性能，延長其使用壽命。

2 解決措施

(1)提高列管式換熱器材質等級是延長設備使用壽命的首選措施。因此，首先選用耐氯離子應力腐蝕開裂較強的經過固溶處理的2205雙相不銹鋼作為列管式換熱器與循環水介質接觸部件的材質。2205雙相不銹鋼在低應力下具有良好的耐氯化物點腐蝕、晶間腐蝕以及應力腐蝕性能；2205雙相鋼同時具有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的優點，與奧氏體不銹鋼相比，導熱系數大，線膨脹系數小，適合制作熱交換器的管芯(列管束)，換熱效率比奧氏體不銹鋼高，相同換熱面積的情況下，所需的換熱管的質量減輕，相對降低采購成本；雙相不銹鋼中含鉻量愈低，σ等脆性相的危害也愈小(高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于300 ℃的工作條件[1]；而該企業要更換材質的換熱器使用的工作溫度都低于300 ℃)。換熱器與循環水介質接觸的部件全部采用2205雙相不銹鋼，避免因材質不同而產生化學腐蝕和電化學腐蝕。

(2)優化局部結構。例如，為了增強列管的抗沖刷能力，在循環水的進口端，當列管壁厚在2～3 mm時，設計換熱器的列管伸出管板的長度為3 mm(如圖3所示)；但對于立式換熱器的上管板，列管只伸出上管板1～2 mm，避免換熱器停用后積水而引起腐蝕(如圖4所示)。

圖3 管子伸出管板3 mm(換熱器進口端)

圖4 管子伸出上管板1～2 mm(立式換熱器上管板)

(3)提高加工質量，盡量減少列管式換熱器在制造過程中產生的殘余應力。

降低管板與折流板鉆孔的粗糙度(Ra 6.3以內，見圖5);改進加工方法，提高管板、折流板孔的加工精度和同心度，并控制折流板或支撐板相鄰孔及任意孔中心距偏差(比國標要求高)，避免循環水中的污泥沉積或附著在列管與管板的縫隙里，產生點蝕或間隙腐蝕；列管與管板采用脹焊結合的方法，先焊后脹，盡量采用液壓柔性脹而不采用機械脹接(如果是機械脹接，必須先做試件)，既要保證脹接質量，又要獲取恰當的脹緊力，使列管脹接的附加應力達到最低；為了保證列管的脹接質量，還要求列管與管板連接處的硬度采取措施后比管板低20～30(布氏硬度HB)；從優化焊接工藝、優化焊接材料等方面著手，提高焊接質量，減少焊接后產生的殘余應力。如果是U形換熱管，制作時存在冷加工變形，機械加工的殘余應力將會影響雙相不銹鋼的耐應力腐蝕性能；尤其在冷變形量為20%時，要求通過固溶處理來恢復耐應力腐蝕。通過對換熱器表面進行酸洗鈍化或對換熱管進行固溶處理，提高換熱器的耐腐蝕能力。

圖5 鉆孔粗糙度

此外，為了避免循環水中的氯離子或氯化物跟隨污泥沉積在列管與折流板孔之間發生縫隙腐蝕，應控制循環水的流動速度(低于0.9 m/s，水中的氯化物等容易沉積在折流板、支撐板及管板孔與列管的間隙里，產生局部腐蝕；低于0.6 m/s，出現均勻腐蝕)[2];減少或控制循環水的氯離子質量分數(<6×10-4，最好<2×10-4)及控制循環水中的pH值(8.0～9.0)，控制循環水中的濁度，減少冷卻塔破碎的PVC填料進入換熱器,從而達到減緩列管式換熱器的腐蝕和沖刷磨損，延長使用壽命;為了便于換熱管的清洗，設計考慮循環水介質盡量走管程 ，而不走殼程；設計時，應考慮管箱的冷加工成型封頭要進行固溶處理。

3 效果

2014年7月，第一批雙相鋼換熱器投入使用。2015年4月,利用停車機會對更換的雙相鋼換熱管進行了離線渦流檢測。打開后發現，循環水管內壁光滑，無水垢、腐蝕、磨損，渦流檢查結果無質量缺陷(見圖6)。另外，在2014年3月至2015年5月，對2205雙相鋼換熱器所用的循環水pH值、氯離子濃度等每周進行在線檢測。從檢測結果看，采用高氯循環水(氯離子質量分數最高達到1.4×10-3左右)的2205雙相鋼換熱器未發生泄漏，能夠繼續使用，使用效果比奧氏體不銹鋼換熱器好。從2014年7月開始，第一批2205雙相鋼換熱器投用至今未出現故障。

圖6 換熱器更換7個月后的檢查結果

4 結語

近十年來，雖然我國的設備防腐技術有所發展，但到目前為止，還不能完全在生產實踐中得到很好的應用。對于連續性生產的企業，在使用列管式換熱器時，要根據其在生產中的重要程度、設備的性價比等因素，綜合考慮選擇換熱管的材質。目前而言，奧氏體不銹鋼與2205雙相不銹鋼換熱器的制作費用相差不大。為了充分利用雙相鋼導熱性好的優點，進一步降低設備造價，建議與循環水接觸部分選擇耐腐蝕能力強的材質(如2205雙相鋼)制作換熱器，而且循環水走管程；同時，優化換熱器局部結構，改進換熱器局部制造工藝及加工方法，就能夠使列管換熱器長期、安全、穩定運行。