換熱器管子與管板焊縫的腐蝕與防護(hù)技術(shù)

王宏偉

（中國(guó)石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163400）

0 引言

換熱器的管板與管子之間采用焊接方式連接，受焊接工藝、材料成分、運(yùn)行環(huán)境、使用年限等諸多因素的影響，管子與管板的焊縫處容易出現(xiàn)腐蝕情況。這種情況下?lián)Q熱器繼續(xù)運(yùn)行就會(huì)發(fā)生介質(zhì)泄漏事故，不僅影響換熱器的運(yùn)行工況，而且還會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患。因此，無(wú)論是從延長(zhǎng)設(shè)備壽命、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益角度還是從安全生產(chǎn)角度，都必須定期做好管子與管板焊縫的檢修工作，并采取相應(yīng)的腐蝕防護(hù)措施。

1 換熱器管子與管板焊縫腐蝕的影響因素

1.1 幾何因素

焊縫尺寸是決定管子與管板焊縫腐蝕的重要因素，當(dāng)焊縫縫隙寬度達(dá)到一定值時(shí)，侵蝕性離子會(huì)進(jìn)入縫隙，進(jìn)而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，腐蝕速率會(huì)隨著縫隙寬度的增加而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)（圖1）。

圖1 焊縫腐蝕與焊縫寬度的關(guān)系曲線

以2Cr13 不銹鋼為例，縫隙寬度與總腐蝕率之間為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，縫隙寬度為0.05 mm 時(shí)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，當(dāng)縫隙寬度達(dá)到0.25 mm 后腐蝕速率趨于穩(wěn)定；腐蝕深度與縫隙寬度之間的關(guān)系較復(fù)雜，縫隙寬度≤0.13 mm 時(shí)，腐蝕深度隨著其增加而逐漸加深，在0.13 mm 時(shí)達(dá)到最大腐蝕深度（為92.2 μm），當(dāng)縫隙寬度大于0.13 mm 之后，腐蝕深度隨著寬度的增加而下降，在縫隙寬度達(dá)到0.25 mm 時(shí)腐蝕現(xiàn)象只發(fā)生在管板表層。由此可知，管子與管板焊縫的縫隙開(kāi)口尺寸越大越不易出現(xiàn)腐蝕反應(yīng)。

1.2 環(huán)境因素影響焊縫腐蝕的環(huán)境因子有溶解氧濃度、溫度、pH 值等。

（1）換熱器內(nèi)部電解質(zhì)溶液中溶解氧的含量越高，管子與管板焊縫處發(fā)生腐蝕的概率越大。

（2）溫度對(duì)焊縫腐蝕的影響比較復(fù)雜，一方面隨著溫度的升高，電化學(xué)反應(yīng)速率加快、金屬溶解加快，會(huì)加劇焊縫的腐蝕情況；另一方面，溫度升高還會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)溶液中溶解氧析出，而溶解氧濃度的降低又會(huì)使電化學(xué)反應(yīng)的陰極反應(yīng)速率下降，抑制腐蝕速度。

（3）介質(zhì)溶液為弱酸性或弱堿性，腐蝕速率較快，但pH 值過(guò)大或過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)臨界鈍化現(xiàn)象，形成一層致密的鈍化膜，保護(hù)管子與管板金屬材料免受腐蝕。

除了上述3 項(xiàng)環(huán)境因素，如介質(zhì)溶液的流動(dòng)速度、氯離子的含量、二氧化碳分壓等也會(huì)影響焊縫腐蝕情況。在采取金屬防護(hù)措施時(shí)，應(yīng)對(duì)這些環(huán)境影響因素采取針對(duì)性的保護(hù)措施。

1.3 材料因素

管子與管板材料的不同，焊縫的腐蝕速率也會(huì)出現(xiàn)明顯差異，不銹鋼材料中Cr、Mo、Ni、Cu 等金屬元素的含量不同，其抗腐蝕能力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變（表1）。從常見(jiàn)的不銹鋼焊縫腐蝕試驗(yàn)可知，材料中Cr 的含量從16.4%增加到24.8%時(shí)，焊縫腐蝕出現(xiàn)的概率從12.5%下降到2.3%，最大腐蝕深度從0.37 mm 下降到0.04 mm；Ni 的摻量對(duì)不銹鋼焊縫的抗腐蝕性能有副作用，當(dāng)Ni的摻量從0.04%增加至10.5%時(shí)，焊縫腐蝕出現(xiàn)概率從2.3%升高到10.5%，最大腐蝕深度則從0.04 mm 增加到0.37 mm。

表1 5 種常用不銹鋼的焊縫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2 換熱器管子與管板焊縫的防腐技術(shù)

2.1 犧牲陽(yáng)極保護(hù)法

從焊縫腐蝕的發(fā)生機(jī)理來(lái)看，電化學(xué)腐蝕為主要形式。相比于外加電流的陰極保護(hù)，犧牲陽(yáng)極保護(hù)有經(jīng)濟(jì)性好、適用性廣、不需附加電源等優(yōu)勢(shì)，更適合換熱器管子與管板焊縫防腐，因此本文選擇犧牲陽(yáng)極保護(hù)法對(duì)管子與管板焊縫的防腐效果展開(kāi)分析。在實(shí)際應(yīng)用中，陽(yáng)極材料會(huì)影響保護(hù)效果，目前常用的犧牲陽(yáng)極材料有鋅合金、鋁合金、鎂合金等。從應(yīng)用效果來(lái)看，鋁合金作為犧牲陽(yáng)極材料時(shí)具有電流效率高、消耗速度慢等特點(diǎn)，可作為優(yōu)先選擇。

2.2 防腐機(jī)理

以鋁合金材料的管程分程隔板作為犧牲陽(yáng)極，利用管程分程隔板與固定管板之間的液體作為連通介質(zhì)，構(gòu)成電通路。為消除外界影響，在換熱管的外側(cè)與固定管板的連接處均設(shè)有絕緣套。分程隔板作為陽(yáng)極材料，在電化學(xué)反應(yīng)中金屬原子會(huì)轉(zhuǎn)化為金屬離子，并通過(guò)液體介質(zhì)從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，從而避免管子與管板之間發(fā)生腐蝕。同時(shí)，被保護(hù)的換熱器管板表面電位必須維持在特定范圍內(nèi)才能發(fā)揮保護(hù)效果，如果電位過(guò)正則出現(xiàn)欠保護(hù)，而電位過(guò)負(fù)則會(huì)出現(xiàn)過(guò)保護(hù)。假設(shè)液體介質(zhì)具有均勻一致性，并且換熱器運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率σ 維持恒定（即σ 為常數(shù)），則電化學(xué)場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。此時(shí)管板發(fā)生電化學(xué)腐蝕的電位（ΔU）分布基本方程可表示為：

在循環(huán)水電解質(zhì)區(qū)域內(nèi)，使實(shí)際電位等于ΔU，可以保證電化學(xué)腐蝕過(guò)程中犧牲陽(yáng)極材料而保護(hù)換熱器管板，達(dá)到減緩甚至避免腐蝕的效果。

2.3 犧牲陽(yáng)極材料的選擇

在換熱器管子與管板焊縫的防腐處理中，選擇合適的金屬或合金作為犧牲陽(yáng)極材料，不僅能夠減緩材料的消耗速度，延長(zhǎng)防腐保護(hù)周期，而且還能進(jìn)一步提升對(duì)焊縫的保護(hù)效果。結(jié)合管子與管板焊縫的特點(diǎn)，在選擇犧牲陽(yáng)極材料時(shí)應(yīng)滿足以下5 項(xiàng)條件：

（1）化學(xué)性質(zhì)要比換熱器管子、管板材料更為活潑。例如，管子、管板的材料為鐵，則犧牲陽(yáng)極材料必須選擇比鐵更活潑的鋁（合金）、鋅（合金）。

（2）犧牲陽(yáng)極材料必須有足夠負(fù)的電位，能夠提供大量的電子，使被保護(hù)的焊縫金屬發(fā)生陰極極化現(xiàn)象，從而達(dá)到防腐的目的。但電位又不能負(fù)太多，否則容易在陰極區(qū)出現(xiàn)析氫反應(yīng)。總體上，犧牲陽(yáng)極的負(fù)電位在-0.5～-1.5 V 比較合理。

（3）陽(yáng)極的極化率小，保證輸出電流穩(wěn)定，保證防腐效果的穩(wěn)定性。

（4）電流效率高。電流效率越高的情況下，由犧牲陽(yáng)極材料產(chǎn)生的自腐蝕電流較小，從而在達(dá)到陰極保護(hù)效果的前提下，減緩陽(yáng)極材料的消耗，延長(zhǎng)防腐保護(hù)時(shí)限。

（5）易于溶解，并且溶解均勻。犧牲陽(yáng)極材料被腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物必須容易脫落，不會(huì)粘附在陽(yáng)極表面形成高電阻物質(zhì)，保證剩余的犧牲陽(yáng)極材料順利被腐蝕。

綜合來(lái)看，滿足上述5 項(xiàng)條件的犧牲陽(yáng)極材料有鋅合金、鋁合金等。

2.4 數(shù)值模擬計(jì)算

2.4.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

某煉油廠的一臺(tái)管殼式換熱器，固定管板的直徑為500 mm，管板厚36 mm，換熱孔徑24 mm。根據(jù)上述參數(shù)使用Comsol 軟件構(gòu)建換熱器的三維仿真模型，并以x、y、z 電位進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到圖2 所示的模型。

圖2 管板立體模型

在Comsol 軟件中，用戶不僅可以靈活定義管板三維模型的材料屬性、邊界條件，還可以從軟件的函數(shù)庫(kù)中調(diào)用任意變量的函數(shù)，從而使仿真模型模擬設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，提高仿真測(cè)試結(jié)果的可信度。另外，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率為0.5 S/m，所用的鋁合金犧牲陽(yáng)極材料電位為1.12 V，測(cè)得極限擴(kuò)散電流密度為0.48 A/cm2。

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

利用Comsol 軟件計(jì)算換熱器管子與管板焊縫處的電位分布云圖，如圖3 所示。

圖3 管子與管板焊縫處電位分布

結(jié)合圖3 可知，在換熱器管板上附加犧牲陽(yáng)極的區(qū)域電位相對(duì)較低，而距離陽(yáng)極越遠(yuǎn)的區(qū)域，電位值相應(yīng)增加。其中，管板與管子的焊縫處距離犧牲陽(yáng)極的距離最遠(yuǎn)，因此該狹長(zhǎng)區(qū)域的電位最高，維持在-0.9～-1.0 V。以管板中心作為原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，取x 軸上［-0.25，0.25］、y 軸上［-0.03，0.03］，測(cè)量其電位均小于-0.8 V，電位明顯偏低，說(shuō)明在該范圍內(nèi)管板發(fā)生了犧牲陽(yáng)極的保護(hù)，達(dá)到了防腐保護(hù)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在換熱器的各類故障中，腐蝕引起的故障占到80%以上，因此設(shè)備的日常檢修中做好腐蝕監(jiān)測(cè)與防腐保護(hù)尤為關(guān)鍵。其中，管子與管板焊縫處的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，相應(yīng)的可以采取外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)措施。犧牲陽(yáng)極材料保護(hù)具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，適用于換熱器的管子與管板焊縫的防腐。從仿真試驗(yàn)來(lái)看，焊縫處出現(xiàn)電位下降的情況，抑制了電化學(xué)反應(yīng)，延緩了腐蝕速度。未來(lái)應(yīng)將該防護(hù)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐，以延長(zhǎng)換熱器的使用壽命，維護(hù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。