化工设备换热器的常见腐蚀与防腐研究

张春胜

（甘肃一安建设科技集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

引言

换热器作为化工行业中常见的热能交换设备，该设备工作的介质不仅伴随着高温与高压的恶劣环境，同时介质本身具备强烈的腐蚀性，使换热器在运行中受到腐蚀的巨大威胁。一旦换热器被腐蚀，很容易导致管束泄漏、安全事故的发生。但是基于其本身工作环境的恶劣程度，环境中介质物理与化学性质存在巨大差异，因此所导致换热器损坏的方式也存在一定的不同，但是90%以上的损坏都是由腐蚀所引起的。且一般换热器都是由金属材料所制作的，工作环境大部分都是高压高温这种苛刻的条件，此时的换热器会直接接触到介质，在热量交换的基础上造成换热器腐蚀。

1 换热器工况分析

基于化工生产的需求与要求，本换热器为立式单程固定管板式型式，其发生腐蚀失效的问题，管程压力为0.21 MPa。换热器进口与出口的工作温度分别为61.7 ℃和60.6 ℃。同时三氯氢硅工作压力为0.45 MPa、循环冷却时进口温度约为26 ℃；出口温度约为35 ℃。基于换热器自身运行介质的特征，循环冷却水以敞开方式运行，可与大气直接接触散热，一般以流传热、蒸发与辐射等三种方式来进行热量的散发[1]。基于多次发生腐蚀的问题分析，需对本次换热器所使用的循环冷却水介质的pH 值、电导率、总碱度和总铁变化进行分析。

2 换热器管束腐蚀实效分析

2.1 实效方案制定

基于换热管束腐蚀失效的问题分析，探讨该问题发生的原因，并提出切实有效的防腐方案，具体的实效分析防腐方案内容如下：

1）结合化工厂实际调查换热器的腐蚀情况，在现场对换热器的材料进行搜集，采取电镜扫描的方式，观察腐蚀局部特征。

2）对管束机体中的材料进行化学成分的详细分析，如腐蚀产生的产物、金相组织与化学成分等内容；

3）将收集的腐蚀管束材料切割成为1 cm×1 cm的方块，先利用铜丝的焊接将其作为导线，随后使用环氧树脂涂封非工作面所制成的电极，制作动电位极化曲线，并分析具体的腐蚀性能；

4）根据换热器实际工况，综合分析其基体材料的各项性能指标和腐蚀的机理，确定换热器发生腐蚀实效的实际原理和原因，并提出针对性的防腐措施。

2.2 理化检测换热器管束的流程

2.2.1 宏观角度观测

在冷凝器上截取多根被腐蚀的管束进行检验，发现这些管束内部都具有金属光泽，且现象十分明显，但是没有发现腐蚀的痕迹，只发现存在两处十分简单的机械损伤点。另外，在实际化工工作开展期间，一般冷凝器管束发生腐蚀的区域都是其外壁，并且距离管板20 cm 的位置十分明显且居中，在发生腐蚀之后，被腐蚀的区域明显变薄，外壁也存在差异大小的腐蚀坑，这些腐蚀坑的存在也表示该管束有着泄漏的倾向。

2.2.2 分析机体的化学成分

对管束基体化学成分进行分析，探讨其内部的成分比例是否满足要求，基于国标10 号钢材标准对比，具体分析结果如表1。经过对比与分析，该管束基体材料符合国标规定。

表1 腐蚀管束材料基体的成分

2.2.3 基体金相组织分析

在对换热器管束的不同基体位置分析后，其金相组织均有着没有明显差别和十分明显的界限，二者均表现为“铁素体+珠光体”。因此可以得出结论为，金相组织并不是导致管束腐蚀的主要原因。

2.2.4 管束不同位置的SEM和EDS 形貌观察

基于样品的编号分析：0 号样品位置没有腐蚀现象，其属于管板在管子伸入后的位置；1 号样品位置腐蚀严重，其属于距离管板15～20 cm 之间管子接近位置；2 号样品腐蚀不够明显，其距离腐蚀位置较远。

在这些不同编号的的取样腐蚀形貌观察上分析结果可知，在沉积物中除含有铁元素之外，其中还包含一些不含金属、基体本身所含有的Ca、Mg 和K 等。结合这些信息的分析，可对这些成分的来源做出初步判断，其中冷却循环水是其主要的来源。

2.2.5 腐蚀产物XRD 分析

取样编号与物质显示颜色内容如下：

1）0 号，换热器壳程取样；

2）1 号，处于管束垢样最外层，物质呈现土黄色；

3）2 号，管束垢样红褐色物质；

4）3 号，处于管束垢样最内层物质，呈现黑褐色。

由上述分析可了解，16MnR 为0 号样品的壳体的材质，Fe2O3和FeO（OH）3为腐蚀产物的主要成分。

3 换热器的防腐措施运用

基于本次换热器的腐蚀行为，且管束为碳钢材料，可采取电镀Ni-P 合金在管束的表面实现防腐功能。

3.1 电镀Ni-P 合金工艺流程

电镀工艺如图1 所示。

3.2 电镀的防腐性能

1）本次使用高温炉来灼烧金属镀层，再进行冷却，看其表面是否存在鼓泡和脱落的现象，这也是分析电镀Ni-P 合金在管束表面牢固性程度的主要方法。在不同温度的灼烧下，根据镀层金属被灼烧的温度表现不同采取差异性的冷却方法[2]。如果温度在500 ℃的恒温条件下，那么需经过10 h 之后，利用水冷的方法对镀层金属进行处理，此时其表面会呈现淡蓝色；而如果温度在700 ℃恒温条件下，那么则需要将其放置8 h 后，利用空冷办法进行处理，此时镀层金属呈现绿色，且不会存在鼓泡等问题。因此可以明确的是，该镀层金属的附着性能良好。

2）为了在循环水中探讨该镀层金属的耐腐蚀性效果，本次设计三电极体系，来对其进行动点位的扫描作业，所使用实验装置如图2 所示。

在实验期间，碳钢管束的Ni-P 镀层为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片电极。电化学测试仪器使用CHI660E 电化学工作站，电极试样的工作面积为1 cm×1 cm，实验扫描率为2 mV/s。电位扫描的范围为“-10～100 mV”，具体实验结果如图3 所示。

由此可知，碳钢镀层金属在循环水中的动点位扫描曲线具备钝化金属阳极极化的曲线特点，且在极化期间，阳极电流的密度大多数都较10-6A/cm2低，当极化点位增加时，阳极极化的电流密度没有明显的变化，有着良好的耐腐蚀性，证明本次所使用的防腐措施对于换热器管束腐蚀有着明显的效果和作用[3]。

3.3 定期维修

除去上述特定的防腐方法实施之外，还需要工作人员在设备正常运行期间结合实际情况来进行定期的清洗作业，避免换热器上一些微生物和沉积物的大量繁殖所导致其本体腐蚀的问题发生。这样不仅可以保障化工设备的稳定安全运转，同时也可减少设备在运转期间的磨损率，使这些工业设备被长期使用。

1）需要结合化工作业的内容制定可行性较强的设备维护与保养计划方案，合理规划设备防腐作业的检查与维护内容；

2）对工作人员开展安全生产培训与教育，提升工作人员的安全生产意识与理念；

3）以奖罚分明的激励制度来提升工作人员工作主动性与积极性，及时掌握设备防腐工作的相关技术与措施，保障设备防腐效果的同时促进化工生产安全运转。

4 结语

化工设备换热器由于其工作环境存在强腐蚀性的特征，一旦发生腐蚀问题很容易产生管束泄漏、影响生产安全的问题。因此需要结合金属镀层与定期维护与保养等防腐措施来保障换热器的长期使用，实现化工企业工作的可持续发展。