氯乙烯生產裝置中循環冷卻水對換熱器的腐蝕及防護措施

楊重杰 李鑫

摘 要：我公司冷卻水介質主要已循環水為主，本文著重對循環水的水質檢測、預測及設備的防護、泄漏原因進行分析。

關鍵詞：循環水;腐蝕;泄漏;防護

1 氯乙烯生產裝置換熱器運行概況

在實際運行過程中，發現材質為碳鋼的管束，管束和管板連接處腐蝕嚴重，有的地方已經形成腐蝕坑，甚至腐蝕穿透，腐蝕物為棕紅色，穿孔方向由管內向管外發展，大多數管束與管板連接方式采用焊接或脹焊結合，此連接方式存在不足，管束與管孔之間存縫隙，焊接過程中產生熱應力，而且縫隙中聚集大量氯根又處于貧氧狀態，極易發生縫隙腐蝕和應力腐蝕，操作不當和水流擋板的脫落行成水擊現象造成管束震動行成剪切力，輕微磨損管壁，嚴重時切斷列管造成換熱器發生泄漏，每年裝置大檢修時更換換熱器管束，補焊管板及清洗換熱器列管占據重要部分。

2 循環冷卻水現狀

氯乙烯生產裝置中的循環冷卻水主要由動力車間間冷開式輸送系統輸送，經過5臺循環水冷卻風機塔冷卻至15.50～30℃，通過3臺循環水泵將冷卻水增壓至0.5～ 0.65MPa，以每小時16000～20000m3/h水流量送至各車間，我公司位于托克遜縣屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，年均風速8m/s素有“風庫”之稱，循環水冷卻系統為開式循環水冷卻系統，固體顆粒及灰塵夾渣到風中帶到冷卻水循環系統內，且部分換熱器在20m～30m的高處放置，行成壓降導致設備內部流速過低造成污垢堵塞列管。我公司開式循環水冷卻系統主要給6大車間，大約給35臺換熱器換熱降溫，隨著循環水不斷的循環利用，各車間換熱設備內部走的換熱介質各不相同，設備輕微泄漏都會導致水質的變化，又由于設備材質結構的不同、設備放置位置高低不同，造成水流速不同等影響換熱效率，循環冷卻水中溶解各種離子和氧氣，其中氯離子和氧濃度的變化，水質的pH值變化，都能造成設備使用壽命的降低，實時監測循環水水質參數變化，成為防止換熱器泄漏的一種重要手段。

3 垢下腐蝕

我公司建設在托克遜縣魚兒溝，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，年均風速8m/s素有“風庫”之稱，常年刮風導致循環冷卻水較臟，本文著重分析垢下腐蝕對設備造成的損傷，經取樣分析換熱器列管內的銹垢層的沉淀物主要分為三大類，第一類為腐蝕產物，如Fe2O3、Fe2O4、FeOOH、FeCO3、FeS等，第二類產物為無機鹽垢CaCO3、CaSO4、BaSO4等還存在一些泥沙、粘土、腐殖物等懸雜物，第三類為微生物的粘液，主要由細菌、藻類等微生物以及它們分布的粘液混合在一起，行成的凝膠狀團塊沉淀物。通常產生的垢下腐蝕形態為銹瘤狀，剝離垢層后會發現，金屬表面已嚴重受到腐蝕、形成蝕坑，隨著腐蝕的不斷侵蝕，腐蝕坑不斷得深入，直至穿孔。垢下腐蝕與垢層組成和分布形態有關，金屬表面形成不連續的垢層將會產生垢下腐蝕，即使形成連續性的垢層，也有可能產生嚴重的垢下腐蝕。如果金屬表面垢層是連續致密的，可能抑制金屬的腐蝕。但是許多的垢層是多孔不均勻的，垢層自身也可能成為陰極促進腐蝕反應，因此垢下腐蝕可能是全面腐蝕也可能是局部腐蝕。金屬表面覆蓋銹垢后，形成相對閉塞的環境，垢下腐蝕坑處于閉塞狀態，腐蝕坑與外界物質交換形成很大阻礙，產生內外介質的電化學的不均勻性，因此隨著腐蝕反應的進行，垢層下形成貧氧區，將于垢層外部本體部分形成宏觀的氧濃差電池，通常腐蝕垢層具有陰離子選擇性，垢層氧離子難以擴散到外部，隨著Fe2+的積累，造成正電荷過剩，促使Cl-遷入以保持平衡，金屬氯化物的水解使垢層下環境酸化，進一步加速腐蝕。

4 換熱器的失效

管箱體內部泄漏：管板與折流板連接不緊密，管束、管板與管箱蓋板之間密封泄漏，隔板與殼體焊接處焊接缺陷泄漏;管板與管束連接處泄漏：常用的換熱器管束和管板連接形式主要有三種方式脹接、焊接、脹接和焊接結合。在實際運行過程中發現，先脹接后焊接存在的缺陷最大，由于前期脹接過程中留下的油污，不可能在焊接前全部處理干凈，造成焊接時此處殘留的油污迅速汽化造成焊縫缺陷，由于焊接、脹接存在應力，很容易在管板脹接、焊接處發生裂痕;管束的震動：換熱器的流體流速一般較高，由于流體的脈沖和流動都會造成換熱器列管的震動，尤其是在開車過程中的提量、提壓操作較快時，很容易引起換熱器列管的震動，特別是隔板處，管子震動頻率較高，容易磨管壁，嚴重時能剪切斷。

大多數的冷卻器水側走管程，因水中含大量的鈣、鎂離子和碳酸鹽，當其流經傳熱金屬表面是發生如下反應：

Mg2++2HCO3→Mg（OH）↓+2CO2

Ca2++2H2CO3→H2O+CO2+CaCO3↓

我公司主要對水中加入聚合磷酸鹽作為緩蝕劑，當加入磷酸鹽時存在以下反應：

3Ca2+2PO2-→Ca（PO4）2↓

溶解在冷卻水中的氧還能總成金屬腐蝕，行成鐵銹，反應如下：

2Fe2-+2H2O→Fe（OH）2↓

反應的結果是在傳熱面上逐漸結垢，同時伴有鐵銹的生成，水垢的存在易造成換熱列管內部產生垢下腐蝕，使管壁內表面氧化膜缺氧而破壞，水對金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕，腐蝕電池陰極反應主要是氧氣的還原，陽極的反應主要是鐵的陽極溶解。

2Fe+2H2O+O2→2Fe（OH）2↓

腐蝕時生成氫氧化亞鐵從溶液沉淀出來，這種亞鐵化合物在含氧的水中是及其不穩定的，它將進一步氧化生成氫氧化鐵。

2Fe（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3↓（銹）

在實際生產過程中垢層和鐵銹層是同時產生的，金屬表面結的銹層與垢層叫銹垢層。在水與鐵接觸的表面上，有一層附著在騎上的不流動的薄水層，流速增大，則水層變得更薄。通過該水層水中的氧的擴散和補給就更容易，因而促進銹蝕。但是在一定的范圍內，流速在增加，氧的供應量繼續增加，則鐵的表面會出現氧氣過剩，造成腐蝕速率趨于鈍化，反而使銹蝕速率降低。流速持續增加水流就會發生絮流現象，造成汽蝕。

5 防止措施

我公司針對循環水水質管理，嚴格執行《GB/T50050工業循環冷卻水處理設計規范》中對間冷開式系統循環冷卻水水質指標的管理要求，建立2臺在線水質分析儀，實時監測水質變化，并以質檢中心每兩天一次的水質取樣分析數據相輔，重點監控水質變化，當水質參數出現異常時加大取樣分析頻次，查找水質波動原因制定專項措施，并加相對應的藥劑進行輔助調節。

放置位置較高的換熱器循環冷卻水壓降損傷嚴重，水流速較慢污垢堵塞列管嚴重，換熱效果較差，且檢修清洗頻繁有時無法滿足生產所需，對于壓降高的地方新增全凝蒸發式空氣冷卻器進行將溫，投用后效果極佳，檢修頻次大大降低，檢修及設備維修所產生的費用降低20%。

嚴格管理塔池出口濾網，防止雜物及填料堵塞水冷器，建議在循環水泵進口處加裝兩臺過濾器，一開一備定期清理，根據換熱介質氣相進出口溫度數據的變化，制定羅列出年度裝置檢修需高壓水射流清洗的換熱器清單，待裝置檢修時進行物理清洗。

積極推廣換熱器防腐技術，一是涂層防腐，即利用涂料把介質與換熱器基本隔離，中斷其化學與電化學腐蝕途徑，二是鍍層防腐，即利用電鍍或化學鍍工藝在換熱器基體表面沉淀一層致密的耐腐蝕金屬或合金來抵抗介質的腐蝕。三是電化學保護，即改變組成設備金屬的電極電位而不被其腐蝕。四是滲層保護，即利用熱處理的方法將合金元素擴散到金屬表面，使之合金化。五是換熱器本身選擇耐腐蝕材料。六是采用熱噴涂技術。七是設立專職人員管理，建立水冷設備檔案，每次大修組織相關人員對水冷器的腐蝕、結垢、粘泥等狀況檢查記錄和存檔，并借助公司HAZOP小組成員力量進行組織分析。

6 結語

通過對換熱器比較系統全面的失效分析，找出延長換熱器使用壽命的方法，為換熱器創造更好的運行條件，減少故障率，為裝置的安、穩、長周期運行打下基礎，實現設備全生命周期管理。

參考文獻：

[1]顧天杰.換熱器泄漏原因分析及對策[J].河北化工，2010 （33）.