換熱器設(shè)備腐蝕因素分析及防腐蝕技術(shù)探討

蘇瑞祺

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司制氫車間，黑龍江 大慶 163000）

換熱器在暖通工程中受到了廣泛的使用，比如，空調(diào)工程中應(yīng)用的表面型空氣冷卻器、空氣加熱裝置、風機盤管等，制冷工程中用到的冷風機、無霜冰箱蒸發(fā)器等，均為換熱器。盡管它們在形式上有著較大的差別，不過從本質(zhì)上來看，都具有實現(xiàn)冷熱流體間熱交換的功能。在經(jīng)濟的高速發(fā)展以及人們物質(zhì)水平提高的同時，建筑工程中裝配空調(diào)的數(shù)量越來越多，而采暖空調(diào)在整個建筑的能耗中占有的比例也不斷提高，增氧提升采暖空調(diào)設(shè)備的能源利用率，對實現(xiàn)綠色、節(jié)能建筑而言十分重要。換熱器是暖通空調(diào)中的常用裝置，更是減少設(shè)備能耗的關(guān)鍵一環(huán)。不過，換熱器在長時間使用后會發(fā)生腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象，不僅會導致其傳熱性能下降，而且還可能導致機組全面癱瘓，使得能耗的大幅提高，并且會因為替換設(shè)備而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。其中，腐蝕帶來的影響最嚴重，據(jù)相關(guān)調(diào)查得知，換熱器的損壞大約90%都是因為腐蝕引起的，并且，腐蝕問題屬于換熱器中十分常見的一種問題，所以，若是可以將腐蝕問題處理好，就等同于從源頭上規(guī)避了換熱器的損壞。

1 換熱器設(shè)備腐蝕概述

換熱器是一種把熱流體中攜帶的熱量傳導到冷流體，或者把冷流體中攜帶的熱量傳導到熱流體的設(shè)備，也被稱作熱交換器。管式換熱器因為技術(shù)發(fā)展較為成熟且維修便利，從而在石化、鋼鐵、紡織、制藥等多個行業(yè)中得到了廣泛的運用。隨著換熱器在許多行業(yè)的大量普及，從而維修的概率也在不斷提高，尤其是因為換熱介質(zhì)的物理化學性質(zhì)不同，使得換熱器受損形式也會有所區(qū)別。

在工業(yè)高速發(fā)展的背景下，腐蝕問題出現(xiàn)得越發(fā)頻繁，在各個行業(yè)與領(lǐng)域中，都有關(guān)于此方面的報道。不論是日常生活還是工農(nóng)行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)，凡是用到材料的地方都會出現(xiàn)腐蝕問題，由此可見，腐蝕對于社會發(fā)展以及人民的安居樂業(yè)造成了較大的影響。根據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年由于腐蝕而報廢與損失的鋼鐵多達2億噸以上，大約占全年鋼產(chǎn)量的1/10。當前，國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)達到了幾億噸，而其中卻存在大約3/10會因為腐蝕問題而平白損耗。由此推測出，國內(nèi)每一年度因為鋼鐵腐蝕而造成的經(jīng)濟損失大概在2700多億人民幣，遠超自然災害與各種事故損失的總值。而國家科技部門、各大行業(yè)與公司也逐漸對此問題投入了高度的關(guān)注。對于化工廠而言，腐蝕引起的危害是巨大的，既使得其金屬資源受損，還會對其正常生產(chǎn)帶來威脅，并且因為腐蝕而引起的設(shè)備故障也對讓現(xiàn)場職工的生命財產(chǎn)安全造成威脅。隨著腐蝕問題越發(fā)受到人們的關(guān)注，以腐蝕為主題而開展研究項目也在不斷增多。

2 換熱器設(shè)備的腐蝕因素分析

2.1 制造換熱器的材質(zhì)

換熱器的構(gòu)成材料除了少部分使用的是不銹鋼、銅、鈦合金與非金屬材料（如石墨、玻璃等），通常主要用到的材料是碳鋼。碳鋼除了含有一定的碳外，還會含有少部分的Si、Mn、S、P，其整體的力學性質(zhì)是由鋼材中的碳元素比例所決定的，相較合金鋼而言，通常不會摻加過多的合金元素，也正因如此，碳鋼容易生銹，耐腐蝕性比較弱，極易引起換熱器的腐蝕受損，造成一定的經(jīng)濟損失。

2.2 水質(zhì)的影響

水的含氣比例、流動速度、酸堿度、溫度、溶解成分都會對換熱器腐蝕造成較大影響。其中，含氣比例、酸堿度、溶解成分的影響相對更大，方便采取人工措施進行控制，所以在平時使用時要重視維護工作。

換熱器設(shè)備中有害性最強的因素便是換熱器管道內(nèi)存在太多空氣，這不僅會使得水無法正常循環(huán)，并且空氣中夾帶的氧氣也容易引起換熱器的腐蝕。由于空氣在水中的溶解度和壓力、溫度存在直接關(guān)聯(lián)，在水受到加熱而溫度變高或是抵御管道阻力壓降降低時，空氣便會從水內(nèi)溶解出來。

酸堿度越低，則氫的過電位也會越低，陰極反應(yīng)越容易發(fā)生，進入腐蝕速度就會愈快。所以，在應(yīng)用冷卻液的過程中要注重水質(zhì)問題，不可隨便用水，而是要用具有較高堿性的水，如此便可降低PH值給換熱器帶來的腐蝕作用。

水內(nèi)的一些鹽離子，尤其是陰離子，對換熱器也存在較強的腐蝕性。因此，在使用前要對水內(nèi)離子濃度進行測量，盡可能減小水內(nèi)溶解的腐蝕性陰離子，添加適量的抗腐蝕材料，能對換熱器起到有效的保護效果。

2.3 換熱器進出口溫度的影響

和絕大部分化學反應(yīng)相同，腐蝕速率隨著溫度的提高而正比例增快。由于水溫增高，溶液的電導性變強，腐蝕電流增加，水的黏性降低，促進了陽極與陰極之間發(fā)生反應(yīng)。所以，在平時使用期間要注重把控好供水溫度。

3 換熱器設(shè)備的防腐蝕技術(shù)

3.1 在傳熱流體中添加緩蝕劑

為了緩解腐蝕，在條件允許的情況下，可對流體內(nèi)添加適量的緩蝕劑。主要由鉻酸鹽構(gòu)成的緩蝕劑是冷卻水系統(tǒng)較常使用的，鉻酸根離子屬于一種陽極抑制物質(zhì)，在其和適當?shù)年帢O抑制劑組合時，便可取得理想且高經(jīng)濟效益的防腐蝕作用。常用的陰極抑制劑則有聚磷酸鹽、膦酸鈉等。據(jù)相關(guān)研究分析得知，此種方式在防范換熱器接觸、應(yīng)力腐蝕與孔蝕方面效果較佳。當前，我國對于緩蝕劑的研究十分有限，市面上的緩蝕劑種類不多，亟需研究出更加高效、經(jīng)濟的緩蝕劑。

3.2 耐蝕材料

使用耐腐蝕材料，例如不銹鋼、鈦、鋁黃銅等，能夠提升換熱器材質(zhì)防腐蝕性能，從而延長換熱器的使用年限。不過，同時，也會讓一次性成本投入增多。例如，在上海金山石化公司中就有使用鈦材制成的海水換熱器，使用起來性能優(yōu)秀，不過因為初期投入成本實在太高，因此，無法得到大范圍的普及應(yīng)用。

3.3 Ni—P化學鍍、涂料

對整個換熱器實行化學鍍處理，構(gòu)成鎳磷鍍層，此種方式也是增加換熱器使用年限的有效措施。不過，此種鍍層屬于陰極性鍍層，只能發(fā)揮出機械隔離腐蝕介質(zhì)的效果，如果部分鍍層受損，便會產(chǎn)生大陰極小陽極，加快受損部位的腐蝕，因此保護作用不太可觀。我國還研發(fā)了一些可供換熱器使用的涂料，不過，這些涂料保護效果十分有限，并且在對換熱器進行維修吹掃期間容易脫落。

3.4 滲鋁

在化工裝置中，需要材料兼具耐高溫、耐腐蝕、耐磨損三項性能，但能夠滿足以上要求的低檔次材料少之又少，而高檔材料則是價格高昂，企業(yè)難以承受。碳鋼換熱器相對而言成本較低，采取表面改性技術(shù)能夠增加設(shè)備的使用壽命，因此成為工業(yè)行業(yè)中換熱器的最佳防腐蝕措施。在此基礎(chǔ)上，人們研發(fā)出了碳鋼滲鋁。滲鋁是20世紀研發(fā)出的一種對金屬表面進行防護的措施，把鋁元素滲透到工件表部的化學熱處理工藝即被稱作滲鋁，又可分為粉末法、氣相法、料漿法幾種類型。其能提升鋼鐵、非鐵金屬、合金在高溫環(huán)境下的抗氧化性能，將其放置在大氣、H2S、CO2、海水等介質(zhì)中具備較強的耐腐蝕性能。所以，滲鋁工藝逐漸在石化、冶金、航空、船舶、汽車、建筑等多個領(lǐng)域得到了大量使用，同時還陸續(xù)發(fā)展出了基于滲鋁衍生而來的Al-Cr、Al-Si、Al-Cr-Si等共滲技術(shù)。

盡管滲鋁涂層有著較強的耐高溫腐蝕、磨損能力，不過，對于管束和管板連接部位的保護問題迄今尚未得到有效解決，而這也是滲鋁碳鋼換熱器最薄弱的方面，對其使用年限造成了一定的影響。通常，鋁的電位相較鋼鐵略低，所以，滲鋁涂層能夠用于保護鋼鐵。不過，在一些特殊情形下，受到外界因素的干擾，鋁的電位反而會高于鋼鐵，此時若是保護層受損，便會出現(xiàn)大陰極小陽極，由此加快腐蝕速度，最終可能發(fā)生穿孔等嚴重后果。

3.5 滲鋅涂層

滲鋅是鋼材防腐處理中最常用、經(jīng)濟效益最高的一種方式，起源于英國與前蘇聯(lián)，是一種在鋅的熔點以下讓活性鋅原子滲透到工件表層的化學熱處理防腐。滲鋅工藝在20世紀中后期受到一些歐美發(fā)達國家的重視，后續(xù)便逐漸在工業(yè)行業(yè)中推廣應(yīng)用。滲鋅法又可分為粉末法與氣相法兩類。

滲鋅法具有較多優(yōu)點：對于溫度要求不高，只需控制在400～500℃，所以換熱器不易出現(xiàn)變形；既可以提升金屬材料在大氣、水、H2S與部分有機介質(zhì)內(nèi)的抗腐蝕性能，同時還能夠讓制件表層具有強于電鍍鋅、熱鍍鋅的硬度與耐磨損能力；滲層較為均勻，當對形狀較為復雜的部件進行處理時，滲鋅層有著十分明顯的優(yōu)勢，不管是螺紋、內(nèi)壁還是凹槽等位置，都可以將滲層厚度控制得十分均勻；滲鋅層和基體屬于冶金結(jié)合，較難出現(xiàn)剝落。并且，滲鋅層和鐵的電位差，相較鋅與鐵之間更低，作為一種陽極性保護層，其所具有的保護作用十分突出。通常認為，滲鋅層厚度越大則耐腐蝕性能越高。當前，滲鋅產(chǎn)品正逐漸走入大眾的視野，既在五金制品中有所應(yīng)用，并慢慢普及到石化、機械、水利、礦業(yè)等許多領(lǐng)域。

相較滲鋁法而言，使用粉磨包埋法來對換熱器設(shè)備實行滲鋅處理，無須擔心管束和管板連接部位的處理不當。例如，在某次試驗中，對20號鋼進行滲鋅處理后，將其鋼材放置在溫度大約為80℃的自來水內(nèi)，盡管有出現(xiàn)電位反轉(zhuǎn)，不過，并未發(fā)生點蝕反應(yīng)。在同等條件下的濃度為3.5%的氯化鈉溶液中，滲鋅土層電位未出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。由此可知，滲鋅土層屬于陽極涂層，即便土層存在輕微的破損時，作為犧牲陽極也能對鋼材發(fā)揮保護作用。而且，滲鋅法相較滲鋁法而言，用于換熱器設(shè)備的防腐蝕處理更為優(yōu)秀。所以，需要加大力度研發(fā)滲鋁與滲鋅技術(shù)，尤其是要對滲鋅技術(shù)重點關(guān)注，以更有效地延長換熱器的使用壽命。

3.6 陰極保護

陰極保護也就是在換熱器設(shè)備中裝設(shè)陽極塊，基于陽極的犧牲來實現(xiàn)對陰極的保護。此種方式一般是對涂層防腐的補充措施，若是管束不具備防腐涂層，則會導致金屬表層電流損失嚴重，陰極防腐無法取得良好的效果。而在采取涂層和犧牲陽極的方式時，能夠取得最佳的防腐作用。陽極塊一般焊接固定于換熱器的管箱、封頭中，陽極塊的使用數(shù)量需根據(jù)設(shè)備的尺寸來確定，還要將陽極塊均勻設(shè)置，確保受保護的設(shè)備不存在防護死角。

3.7 防垢器等設(shè)備的應(yīng)用

除垢器在石化、水處理、特殊設(shè)備等防腐蝕領(lǐng)域中得到了普遍運用，其關(guān)鍵材料為以多種類型的金屬成分構(gòu)成的特殊合金，此合金充當電化學催化體，在流體經(jīng)過特殊合金時會和合金材料發(fā)生接觸，讓溶液產(chǎn)生電化學催化反應(yīng)，由此讓液相內(nèi)的膠體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為懸浮狀態(tài)，無法聚集附著在管壁上方，導致液相內(nèi)的各類離子與雜質(zhì)不容易結(jié)合成垢體，還能讓已結(jié)的垢體發(fā)生脫落。此外，還能弱化溶液組合對金屬的氧化效用，提高其還原效果，緩解金屬材料的腐蝕。使用除垢器能對換熱器設(shè)備的垢下腐蝕起到良好的防范效果，所以，對于特殊的循環(huán)水換熱器，便可運用此項技術(shù)。

4 結(jié)語

換熱器防腐蝕是目前亟需加強研究與實施的工作，僅憑單一的措施所取得的效果十分有限，以上提及的措施僅能較大程度上緩解腐蝕問題，卻無法從根本上完全根絕腐蝕的出現(xiàn)。因此，在今后需要繼續(xù)加強對防腐蝕技術(shù)的研究，深入了解換熱器設(shè)備腐蝕發(fā)生的具體原因，以此采取針對性措施加強控制，如此方可最大程度地提高設(shè)備的使用年限，獲得更大的社會效益及經(jīng)濟效益。