淺析化工設備換熱器的常見腐蝕與防腐

淺析化工設備換熱器的常見腐蝕與防腐

隨著我國綜合國力的不斷提升，國家工業技術水平呈現蓬勃發展態勢，對石油資源的依賴程度相對增大，各類石油開采及生產設備得到了廣泛應用。板式換熱器是石油化工生產中的重要能量交換設備，主要負責對化工廠中流體的冷卻作用，即：將較高溫度的流體熱量通過內部的傳熱介質傳遞至冷流體部分，從而達到降低流體溫度的目的，屬于熱交換設備中的一種。由于水資源的經濟性，目前，非特殊換熱器設備基本采用水作為循環冷卻媒介，導致換熱器中由于長時間高溫作業而出現不同程度的污垢或水垢的沉積；加上換熱器的工作環境復雜，換熱器的材質基本是由鋼材進行焊接而成，鋼材長時間在高溫高壓環境下進行生產作業，鋼材上的冷熱交換頻率較多，致使90%以上換熱器均是由于內部或外部腐蝕造成了其結構失效，嚴重腐蝕后將給石化業的高效生產及安全作業構成嚴重威脅。采用更加先進的防護技術來降低板式換熱器腐蝕問題，成為當前石化企業重點考慮及研究的方向。為此，開展了其結構的防腐方法及具體防腐蝕方案研究，并對防腐處理后的換熱器管束進行了檢測驗證，由此，大大降低了換熱器的腐蝕程度。

一、化工設備換熱器的常見腐蝕類別

（一）換熱器表面物理磨損腐蝕

在實際化工生產過程中，化工設備換熱器的構件幾乎都是金屬的，金屬的硬度高、剛性大，且運動速度高，金屬零件之間很容易發生碰撞，導致零件的表面發生刮碰、磨痕等，這種腐蝕稱為換熱器表面物理磨損腐蝕。氣體、固體顆粒、液體等都是可能會造成物理磨損腐蝕的介質，但是簡單來說，換熱器表面物理磨損腐蝕是由于高速運動的介質對換熱器的不斷摩擦以及金屬零件的暴露區域受到的腐蝕的共同影響，在換熱器的第一層保護介質被磨損后，第二層介質很容易會受到更多因素的影響，給設備帶來進一步的腐蝕。

由于表面物理腐蝕過于常見，我國的各行各業開始逐漸意識到問題的嚴重性，在設計換熱器零件的過程中，會采取一定的措施，防止介質進入換熱器內部。

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（二）換熱器應力腐蝕

應力出現在接觸表面，通常分為外加應力以及殘余應力，應力的作用對于換熱器來說是致命的，應力容易造成金屬零件的斷裂，一個金屬零件的斷裂可能會導致整個換熱器處于癱瘓狀態。目前來說，常見的應力腐蝕類別分為陽極溶解應力腐蝕以及氫致開裂應力腐蝕等，所以在實際生產中，應力的作用結合介質的腐蝕作用，會造成換熱器表面的一層氧化膜被干擾最后消失，氧化膜消失后，被破壞的材料和未被破壞的材料將會形成電池的陰陽兩極，電子高速流動，導致金屬零件的壽命繼續縮短，原電池的形成，可能會造成零件逐漸溶解成液體，造成極大的安全隱患。

（三）換熱器電化學腐蝕

換熱器在高速工作中，其內部流動的液體分子將會處于不斷的運動中，防止流體的沉降，但是長期的工作，仍會有一部分的分子產生沉降，并且分子是處于不斷運動中的，工作量少的區域將會產生更多的沉降。受到換熱器內部工作原理的影響，經常使用的部分沉降較少，工作量小的地方沉降多，這種沉降物不均勻的分布，會形成一定的縫隙和間距，導致縫隙之間的含氧量不同，并且由于換熱器內部的空氣流通，會引起縫隙之間產生電化學腐蝕，不僅如此，由于縫隙附近的電化學反應速度不同，所以產生的腐蝕面積進一步擴大。

二、換熱器防腐蝕方法研究

結合換熱器的實際作業工況及周邊環境特點，確定了其結構防腐蝕方法，具體包括如下內容。

（一）選用耐腐蝕材料

根據換熱器的使用特點，可對其結構中腐蝕嚴重區域的材料在設計生產過程中更換為具有較強耐腐蝕的不銹鋼或合金鋼材料，如換熱器中的管束結構。

（二）噴涂防腐蝕層

由于金屬的腐蝕主要是與石油中腐蝕介質進行了接觸導致的，故可通過在關鍵部位金屬表面噴涂防腐蝕層材料，如防銹油漆、高分子有機材料等，使其金屬表面形成一層防腐層，隔絕金屬與腐蝕介質的直接接觸，可實現換熱器地較好防腐要求。

（三）電化學保護法

由于電化學腐蝕為換熱器中的典型腐蝕類型，金屬材料由于失去電子而被氧化，故可對換熱器中的金屬外接低電源，使得金屬表面形成陽極極化，在電化學腐蝕過程中出現金屬表面鈍化現象，以此防止材料被腐蝕。

三、化工設備換熱器防腐措施

（一）增加防護層，涂刷涂料

針對于各種類型的腐蝕，都可以采用增加防護層、涂刷涂料的方式進行防腐，使得腐蝕介質和換熱器的金屬零件之間產生隔離層，常見的防腐涂料可以分為重防腐涂料、防溶劑涂料、高溫涂料、防油腐蝕涂料等，可以有效地進行防腐。在實際的化工生產過程中，要結合實際的腐蝕類型，合理的選擇涂料種類，有針對性的解決防腐問題。不僅如此，針對于不同的防腐涂料，不同的生產廠商的產品效果也會有所不同，具有較大的性質差異，并且質量參差不齊。所以，在進行涂料的選取過程中，要對市場進行調研，增加已購買的涂料的質檢次數，針對不符合企業標準的涂料，要采取“堅決不使用”的方式，保證防腐材料的質量。在確保防腐涂料的質量過關后，定期地在換熱器的金屬零件表面刷涂，形成致密的保護膜，避免換熱器金屬零件與可能會導致腐蝕的介質接觸，降低換熱器發生腐蝕的概率，延長換熱器的壽命。

（二）犧牲陽極的陰極保護法

顧名思義，犧牲陽極的陰極保護法就是通過犧牲原電池的陽極，使得陰極得到保護。由于碳鋼材料是由滲碳體和鐵素體組成的，根據化學周期元素表，碳元素的電子電位比鐵低，所以，可能形成原電池，原電池的陰陽兩極損耗程度是不同的，往往陽極受到的損耗程度高。碳元素作為陰極，鐵元素就成了陽極，但是，防腐的目的是使得鐵元素不受到腐蝕，鐵元素的腐蝕產生了電化學腐蝕，并產生了不可阻止的腐蝕電流。所以，技術人員往往可以采用犧牲陽極的陰極保護法，簡單來說，可以通過在陽極表面刷涂一層電位更低的金屬元素，或者連接一個電位更低的金屬，使得“假陽極”受到腐蝕，陰極得到保護。常見的“假陽極”元素是鋁元素，因為鋁元素較為活潑，且成本低廉。

（三）定期的人工維修檢查

以上采取的兩種方式是必不可少的，同時，相關工作人員還應該在設備正常的運行中，定期地開展維修檢查工作，根據設備的腐蝕情況，及時的清理腐蝕層，涂刷防護層。這種人工的方式能夠有效地避免換熱器內部的沉淀，延長換熱器壽命，保證機器的運轉效率，提升化工生產的質量。不僅如此，相關監管人員還應制定相應的法律法規和規章制度，定期地對培訓員工進行培訓，防止人為因素導致的換熱器腐蝕，并開展生產安全教育培訓，定期開展團建，讓員工之間互相交流心得，落實賞罰分明制度，對明知故犯的員工予以嚴懲，對于長期工作優秀的員工進行獎勵。領導層應當實行外派，使得企業員工能夠外出學習其他企業的先進技術，貫徹落實防腐理念、積極工作、與時俱進、不斷創新、不斷學習，從而提升自身的專業素質水平和綜合素質能力，使得防腐理念落實到每一位員工身上，保障企業的穩定發展。

四、換熱器防腐處理方案設計

結合前文所述換熱器防腐蝕方法，確定了具體的防腐蝕方案，包括：電鍍鎳磷合金防腐方案和循環水防腐處理方案。

（一）電鍍鎳磷合金防腐方案

為實現換熱器中管束與工業冷卻水的有效隔離，提高其綜合性能，采用了在管束表面電鍍鎳磷合金的防腐方案。整個電鍍工藝過程為：首先對金屬表面進行機械加工及化學除油操作，之后通過熱水洗和清水進行洗凈，針對其表面的銹點問題，采用酸洗除銹和酸洗活化方法進行操作，最后將電鍍鎳磷合金的管束放置不同高溫條件下進行燒灼及冷卻操作。

整個管束的電鍍鎳磷合金原理為：利用三電極體系的電位掃描方式進行操作，三個電極包括工作電極、參比電極、輔助電極三部分，其中，工作電極為鎳磷合金，參比電極為飽和的管束電極，輔助電極鉑片，上端則選用CH1660E 型恒電位儀，其掃描速度為2mV/s，掃描范圍為-10mV～10mV，主要負責對電鍍過程中電位進行檢測。

為驗證不同高溫對電鍍層附著性的影響，分別將管束加熱至500℃和700℃進行燒灼冷卻處理，觀察管束表面是否出現鼓泡或鍍層脫落現象，兩種實驗結果如表1 所示。由表1 可知，兩種實驗條件下的管束表面均未出現鼓泡或脫落現象，表明此種電鍍方法能使管束表面具有較強的附著能力。

表1 管束不同實驗條件下的表面情況

（二）循環水防腐處理方案

換熱器由于經常處于高溫環境下作業，經過長時間的運行后，導致管束上附著了一定的水垢，此時循環水的酸性程度呈逐漸降低趨勢，循環水的腐蝕性明顯增強。因此，可在循環水中添加吸附性藥劑材料來對循環水的Ga+和Mg+等離子進行吸附，減少循環水中的離子濃度，以此改變循環水的pH 值，降低其對管束的腐蝕性。按照此方案實施后對運行3 個月的循環水質及管束進行檢測。經過檢測可知，添加吸附藥劑后的循環水pH值明顯維持在相對穩定范圍，管束表面基本未出現腐蝕情況。由此說明循環水經過軟化處理后，對管束的腐蝕影響得到明顯好轉，說明了此防腐工藝方法的可行性。

結語

綜上所述，我國的化工領域出現的換熱器腐蝕問題需要引起相關從業人員的重視，并結合實際情況，針對于具體的腐蝕類型，選擇合適的防腐手段，科學的防腐手段是化工企業能夠順利生產運營的前提，直接關系到企業的實際利益。所以，工作人員要設法提升換熱器的使用壽命，提升換熱器的效率和質量，并根據企業過去的防腐經驗，提升化工設備換熱器的防腐效率，定期地對腐蝕類型進行總結和分類，并定期的總結經驗，提升化工企業的經濟效益和社會效益，保障我國化工領域長期、穩定、健康發展。