煉油廠水相換熱器碳鋼材料的腐蝕與防護措施

劉 強

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163400）

0 引言

換熱器是石油化工行業(yè)的重要設備，其運行工況對整套煉油裝置的運行效益有直接影響。水相換熱器的工作介質為成分復雜的水溶液，其中含有濃度不等的硫化物氯化物、無機鹽等，這些成分長時間與金屬材料接觸會引起腐蝕問題。根據(jù)腐蝕形態(tài)的不同，又可以分為點蝕、均勻腐蝕、應力腐蝕等。由于換熱器是在高溫、高壓環(huán)境下運行的，出現(xiàn)嚴重腐蝕的區(qū)域可能會突然破裂，導致設備損壞、停運。因此，做好水相換熱器的日常維護，采取必要的防腐保護措施，對延長設備使用壽命、維護煉油廠的經(jīng)營效益都有積極幫助。

1 水相換熱器碳鋼材料的腐蝕分析

1.1 實驗材料

本次實驗從煉油廠收集了4 種水溶液，分別是電脫鹽切水、脫硫凈化水、循環(huán)水和堿液。另外選擇與水相換熱器組成材料相同的10#碳鋼作為實驗材料。實驗所用儀器包括恒溫水浴鍋、電子天平等，10#碳鋼的化學成分見表1。

表1 10#碳鋼的化學成分 wt%

在使用碳鋼材料制作成24 mm×15 mm×2.0 mm 的試片，并在試片上打出一個直徑為2 mm 的小孔，用于懸掛、固定。

1.2 實驗方法

（1）使用砂紙打磨準備好的碳鋼試片，使其表面光亮，然后用干凈紗布擦拭表面雜質。

（2）取干凈棉簽蘸取少量丙酮擦拭碳鋼試片，去除表面的油垢，然后用去離子水清洗，用風機吹干后將碳鋼試片放置于電子天平上稱量重量m1。

（3）將碳鋼試片保存到干燥器中，以備使用。

（4）將4 塊碳鋼試片分別置于4 種不同溶液中。

（5）浸泡7 d 后將碳鋼試片取出，置于配制好的清洗液（1.2 g/cm3的鹽酸、三氧化二銻16 g、氯化亞錫30 g）中。

（6）使用一根玻璃棒不斷攪拌，直到觀察到碳鋼試片表面不再有腐蝕物，之后用鑷子將清洗后的碳鋼試片取出。

（7）放入飽和碳酸鈉溶液中繼續(xù)浸泡約5 min，中和表面殘留的酸性清洗液。

（8）最后放到蒸餾水中清洗，并吹干稱量重量m2。

m1-m2即為失重，根據(jù)失重求得腐蝕速率。每種試驗進行兩次，以平均值作為最終結果，掛片失重統(tǒng)計結果如表2 所示。

表2 掛片失重結果

1.3 結果分析

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過7 d 的浸泡后，置于脫硫凈化水和電脫鹽切水中的10#碳鋼試片，表面附著大量紅色產(chǎn)物。將試片取出刮去紅色附著物后，可以發(fā)現(xiàn)底部有一層致密的黑色物質。循環(huán)水中試片表面也有紅色物質，但是厚度較??；堿液中10#碳鋼試片仍然光亮，僅有少量斑點。

結合表2 數(shù)據(jù)可知，10#碳鋼試片在脫硫凈化水和電脫鹽切水中的腐蝕速率較快，分別達到1.2 mm/a 和1.3 mm/a，屬于我國金屬耐腐蝕十級標準中的第八級（欠耐蝕）。根據(jù)該實驗可知，以碳鋼為主要材料的水相換熱器，在長時間接觸腐蝕介質后會出現(xiàn)比較嚴重的均勻減薄現(xiàn)象。

2 涂層與犧牲陽極聯(lián)合保護實驗

由于水相換熱器的腐蝕介質成分復雜，加上高溫運行環(huán)境會加快腐蝕進程，因此采取單一的防腐蝕措施往往難以達到理想的效果。聯(lián)合保護是同時選用兩種及以上的防腐措施，進一步提高對碳鋼材料的保護能力，從而達到減緩腐蝕速率、延長設備使用壽命的目的。本文以“涂層+犧牲陽極”聯(lián)合保護方法為例，開展腐蝕實驗并驗證該方法對10#碳鋼的保護效果。

2.1 實驗材料

本次實驗所用材料包括4 種不同類型的犧牲陽極，分別是Al—Zn—Mg—Ti 型、Al—Zn—In—Cd 型、Zn—Al—Cd 型 和Mg—Zn—Al 型。涂料選擇TH-847 防腐涂料，以環(huán)氧樹脂為基料，同時按照特定比例加入防銹、防腐材料以及各種導熱顏料、填料，具有耐溫、耐水、防銹、抗?jié)B等良好性能。所用儀器包括DJS-292A 恒電位儀、FT168 多用表等。

2.2 實驗方法

使用10#碳鋼制作工作電機。用飽和甘汞電極作為參比電極，將碳鋼試片置于腐蝕介質中浸泡7 d，分別在0 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h 和168 h，用多用表測量1 次開路電位。

2.3 結果分析

2.3.1 開路電位測量結果

開路電位測量結果能夠為陽極保護電位的設定提供一個參考。在電化學防腐中，要求犧牲陽極保護電位必須低于開路電位，才能正常發(fā)揮保護效果。本次實驗中，在4 種介質中的開路電位測量結果如圖1 所示。

圖1 10#碳鋼在腐蝕介質中開路電位隨時間變化曲線

根據(jù)圖1 可知，10#碳鋼試片一開始的電位較正，但是在介質中浸泡1 h 后電位出現(xiàn)明顯的下降，之后電位趨于穩(wěn)定，但是仍然有不同程度的波動；浸泡于脫硫凈化水、電脫鹽切水中的碳鋼試片，電位穩(wěn)定分別在-7.33 V、-7.14 V 左右；浸泡于循環(huán)水和堿液中的碳鋼試片，電位分別穩(wěn)定在-6.38 V 和-5.09 V。

2.3.2 犧牲陽極的選型

在聯(lián)合保護中，犧牲陽極的選型對保護效果也有直接影響。本次實驗中共選擇了4 種類型的陽極材料，分別測量其電化學性能（表3）。

由表3 可知，本次實驗所選的4 種犧牲陽極中，Al—Zn—Mg—Ti 和Al—Zn—In—Cd 都可以滿足電位要求。其中，Zn—Al—Cd 在脫硫凈化水中的電位，與10#碳鋼在該介質中的腐蝕電位（-7.33 V）較為接近；而Mg—Zn—Al 的點位過負，最高電位達到了-1.64 V，這種情況下碳鋼材料容易出現(xiàn)氫化反應，因此不宜選擇此材料作為犧牲陽極。另外，Al—Zn—In—Cd 的電流效率相對較低，并且在高溫環(huán)境下其化學性質更加活潑，犧牲陽極的消耗速度會加快。綜合來看，選擇Al—Zn—Mg—Ti 作為犧牲陽極，既可以滿足保護電位的要求又不至于消耗過快，綜合性能表現(xiàn)更好。

表3 不同類型犧牲陽極在不同介質中的電化學性能

2.3.3 涂料的性能

聯(lián)合保護中所用的涂層材料為TH-847，其以環(huán)氧樹脂作為基料，由于環(huán)氧樹脂分子中包含了較多的活性基團，因此在涂刷涂料后可以保證牢牢粘附在碳鋼材料的表面，不容易發(fā)生脫落。同時，涂料中還加入了防沉淀劑、導熱顏料等多種成分，可以使涂料在高溫環(huán)境下保持較強的化學穩(wěn)定性。本次實驗中測量了該涂料在4 種介質下浸泡7 d 的極化曲線（圖2）。

圖2 涂層電極在換熱器腐蝕介質中浸泡7 d 后的極化曲線

結合上圖可知，涂有TH-847 的10#碳鋼試片，在4 種介質下浸泡7 d 后的電極腐蝕速度數(shù)量級均在10-7A/cm3。而未采取保護措施的10#碳鋼，在4 種介質中的腐蝕速度數(shù)量級為10-5A/cm3。因此，該涂層能對10#碳鋼起到很好的保護作用。

2.3.4 聯(lián)合保護工藝計算

犧牲陽極的壽命計算公式為：

其中，T、m 表示犧牲陽極的有效保護年限和凈重量；Q 表示陽極的最大電容量，Im表示陽極平均電流；t 表示年小時數(shù)，本文取值為8760 h。將各數(shù)值帶入上式后求得T=3.6，即犧牲陽極的壽命為3.6 年，可以滿足工程設計要求。

3 結語

水相換熱器的碳鋼構件受到介質腐蝕影響后會嚴重影響設備運行工況。本文提出了一種將犧牲陽極保護與涂層保護相結合的聯(lián)合防腐措施。從實驗效果來看，被保護的10#碳鋼試片電位明顯降低，電流減小，犧牲陽極的預計使用壽命可以達到3.6年，取得了較為理想的防腐保護效果，具有推廣應用價值。