影響換熱器腐蝕狀況的因素及原因分析

劉金山

（中國石油大慶石化分公司煉油廠，黑龍江大慶 163000）

1 換熱器腐蝕狀況與原因分析

1.1 腐蝕掛片監測

在換熱器的腐蝕情況分析中，經常采取掛片監測的手段進行分析，這種監測手段能清晰地反映出內部腐蝕的程度與原因。技術人員通過測量掛片質量變化與腐蝕成分測定來確定腐蝕率（圖1）。

圖1 腐蝕掛片監測

分析該掛片，發現其腐蝕速度為0.147 mm/a，國家對工業循環水腐蝕率有明確的規定，要求腐蝕率不得大于0.075 mm/a。該掛片的腐蝕速度超出國家標準的一倍（表1），掛片表面生成多種腐蝕產物，表面清洗發現腐蝕類型以局部腐蝕為主。掛片測試結果說明，該換熱器有較高的腐蝕風險。

表1 現場掛片腐蝕速率

1.2 換熱器管束失效分析

為了詳細了解換熱器的腐蝕情況，需要對換熱器進行拆解，本次研究利用換熱器大修的機會分析了內部腐蝕情況，將換熱器拆開，端蓋、出口的情況如圖2～圖3 所示。從這兩處的腐蝕分析可知，端蓋與換熱器管口的表面腐蝕情況基本上相同，呈現出松散結構的土黃色沉積物，用工具可以輕松刮掉。腐蝕處呈現眾多突起狀生成物，刮掉凸起后用洗劑清洗，可見明顯的密集分布的腐蝕坑。

圖2 換熱器端蓋管板處

圖3 換熱器端口

對換熱器進行加壓實驗，證實換熱器已經存在漏點。將產生泄漏的換熱管沿縱向剖開，管外壁存在輕微腐蝕，管內壁存在嚴重腐蝕，壁厚變薄，腐蝕孔已經穿透管壁，腐蝕生成物呈層狀，可輕易用工具刮掉，腐蝕生成物大多數為黃褐色，這也說明該換熱器存在明顯的腐蝕現象（圖4）。

圖4 換熱器泄漏管束外觀

為揭示換熱器的腐蝕機理，對圖4 中換熱管穿孔與未穿孔位置進行了金相分析對比。圖5 為經過光學儀器500 倍放大后的金相照片，可見穿孔位置與未穿孔位置均生成了較多層狀腐蝕物，外層呈現紅褐色，內層呈現灰褐色。將穿孔位置與未穿孔位置進行對比可知整根換熱器管均呈現不同程度的腐蝕，腐蝕嚴重處呈現較大的凹坑或孔洞，內壁的腐蝕程度大大高于外壁，這說明腐蝕首先發生在內壁，管壁產生腐蝕穿孔后擴展至外壁，最終使換熱器出現泄漏。換熱管內壁的腐蝕是由管內循環水引起的，循環水內混入一定的氧氣、引起吸氧腐蝕，這也與掛片分析結果相吻合。

圖5 穿孔部位與未穿孔部位的金相分析

2 換熱器腐蝕影響因素分析

本文研究的換熱器使用脫硫貧液作為循環水，各項分析結果表明這種循環水會造成換熱管的嚴重腐蝕，引起換熱器泄漏。為進一步揭示脫硫貧液循環水對換熱管的腐蝕機理，本文分析了循環水對不同換熱管材料的腐蝕情況。采取掛片法檢測循環水對20#碳鋼和不銹鋼材料的腐蝕程度，3 個月的掛片時間后，20#碳鋼的腐蝕速度達到1.050 mm/a，不銹鋼的僅為0.001 mm/a。

2.1 Cl-對水質腐蝕性的影響

當換熱器循環水中Cl-濃度小于500 mg/L 時，換熱管的腐蝕速度一直維持在1.05 mm/a 左右，Cl-濃度提高后腐蝕速度明顯增加，這是因為水中的Cl-加快了電子轉移速度，但電子轉移速度對腐蝕速度的影響具有極限，當Cl-濃度小于500 mg/L 時，循環水的腐蝕性沒有增加，但當Cl-濃度大于500 mg/L 時，會直接參與腐蝕作用，在金屬表面形成點蝕，在點蝕處積累大量的Cl-，使這部分循環水呈酸性，加速金屬的腐蝕。相關數據顯示，Cl-濃度為700 mg/L 時，換熱管的腐蝕速度可以上升到1.45 mm/a。因此，換熱器的日常維護中應定期檢測循環水中Cl-含量。

2.2 SO42-對水質腐蝕性的影響

SO42-（硫酸根離子）的濃度也會影響換熱器循環水的腐蝕性，水中SO42-濃度在0～700 mg/L 增長時，循環水的腐蝕性緩慢增加，SO42-能夠穿透碳鋼表面的保護膜，但穿透作用弱于Cl-，當水中SO42-濃度達到一定程度后對碳鋼的腐蝕性趨于穩定。因此，通常不考慮SO42-對換熱管的腐蝕影響，但當SO42-生成還原菌（SRB）時，會大大增強循環水的腐蝕性，這是因為硫酸細菌群以硫酸鹽的氧化反應獲取能量，這一反應過程會生成大量的H2S，導致循環水pH 值迅速下降，呈現較強的酸性，在金屬表面形成嚴重的點蝕。

此外，循環水中的Fe2+含量較低時，會在金屬表面形成FeS保護膜，Fe2+含量升高后，假如循環水中擁有大量的硫酸根離子，Fe2+會通過沉積作用與硫酸菌產物結合，使金屬表面失去FeS 保護膜，降低抗腐蝕能力。因此，Fe2+的含量和硫酸根產生的硫化物是影響腐蝕速度的主要因素。當SO42-含量較低時，硫酸菌群產生硫化物的量很少，無法有效破壞金屬表面的FeS 保護膜，腐蝕速度較低；當SO42-濃度增大后，硫酸菌群產生硫化物的量大大增加，破壞了金屬表面的FeS 保護膜，大量的Fe2+通過沉積作用附著在金屬表面，與金屬形成陽極電池反應，造成金屬表面的嚴重腐蝕。

本文所有試驗基于室內模擬設備，與真實工況下硫酸菌群對循環水腐蝕性的影響存在一定出入。在真實工況下，進行換熱器的日常維護時應定期檢測循環水中SO42-含量。

2.3 Ca2+對水質腐蝕性的影響

Ca2+的濃度對換熱器循環水的腐蝕性也會產生一定的影響。Ca2+與水中的HCO3-（碳酸氫根離子）結合生成Ca（HCO3）2，受熱分解為CaCO3，并沉積在金屬表面，阻止金屬表面與氧氣接觸，起到一定的保護作用。但Ca2+與HCO3-對金屬的保護作用有很大差異，低濃度下二者對腐蝕速度的影響作用相同，隨著濃度的升高，Ca2+對金屬的保護作用要強于HCO3-，當濃度為2 mmol/L時，富含Ca2+水的腐蝕速度為0.805 mm/a，而富含HCO3-水的腐蝕速度為0.976 mm/a。這是因為掛片測試是在敞開環境進行的，與空氣發生接觸，使水樣中的Ca2+生成碳酸鈣、碳酸氫附著于金屬表面，降低了腐蝕速度。

3 結論

（1）換熱器的泄漏是由于循環水的腐蝕性造成的，換熱管內壁首先發生腐蝕，穿孔才延伸至換熱管外壁。

（2）影響循環水腐蝕性的因素主要有Cl-、SO42-、Ca2+和HCO3-的濃度，建議在日常設備維護時定期檢測上述離子的濃度，合理調節水質，或將換熱器材料升級為不銹鋼，以保障系統的穩定運行。