工业循环水系统换热器腐蚀分析

工业循环水系统换热器腐蚀分析

刘万利

大庆油田化工有限公司轻烃分馏分公司

摘要：换热器由于具有换热效率高、结构紧凑、占地面积小等优点，在石油、化工、轻工、等行业得到广泛的应用，是生产中重要的工艺设备和节能设备。换热器的损坏90%是由于腐蚀而引起的。因此，为了保证换热器的正常运行，延长使用寿命，查明腐蚀原因，减少各类失效事故的重复发生，对换热器进行综合全面的失效分析具有重要的现实和指导意义。

关键词：循环水系统；散热器；腐蚀分析

1 前言

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器广泛应用于石油、化工、动力、轻工、食品、制药、空调等行业，在生产、生活中占有重要的地位。在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器和再沸器等，其主要功能是实现生产过程中热量交换和传递，保证工艺过程对介质所要求的特定温度，应用非常广泛。换热器的损坏90%是由于腐蚀而引起的。换热器一般都用金属材料制成，且多在高温和高压条件下工作，伴有冷、热、酸、碱、气、液等流体的直接接触、混合进行热量交换，所以腐蚀问题相当严重。

2 换热器类型

（1）混合式换热器。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

（2）蓄热式换热器。蓄热式换热器又称蓄热器，是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。其缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。

（3）间壁式换热器。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。按传热面型式可分为管式和板式换热器。 管式换热器是换热壁面为管子的一类换热器，分管壳式、套管式、螺旋管式、蛇管式、夹管式等多种型式。板式换热器是换热壁面为一类换热器，分板式、螺旋板式、蜂螺、型伞板式、板翅式、板壳式等多种型式。

3 循环水系统换热器腐蚀分析

3.1 磨损腐蚀

腐蚀介质与金属构件的表面相对运动速度较大，导致构件局部表面遭受严重的腐蚀损坏，这类腐蚀称为磨损腐蚀，简称磨损。造成腐蚀损坏的流动介质可以是气体、液体或含有固体的颗粒、气泡的气体等。磨损腐蚀是高速流体对金属表面已经生成的腐蚀产物的机械冲刷作用和新裸露金属表面的腐蚀作用的综合。由于石油化工中的生产介质往往具有一定的粘连性,为了防止介质沉淀结垢,要求介质流速大于2m/s。高速流体特别是含有固体细粒、气泡的高速流体冲刷传热面,引起局部表面的压力可达数十兆帕,从而造成了金属表面的疲劳剥蚀,虽然在设计中为了防止流体进入到壳体时使管子直接受到冲击或冲刷，在壳体进口处的管束上安装了防冲板，但是，由于流体或是固体颗粒的长时间冲刷，防冲板也会发生损坏。另外,由于振动或微振动的原因也常使折流板管孔处受到磨损。

3.2 电化学腐蚀

当介质流动不均或滞留时很容易在换热管表面形成沉积物,由于沉积物是不连续不牢固且不均匀的,在某些部位形成了裂缝和间隙,由于缝内外氧的差异而形成了电化学腐蚀。

阳极氧化反应,金属溶解:M→M⁺ⁿ+ne

阴极还原反应,还原为(中性或碱性溶液)：O₂+2H₂O+4e→4OH^-。

阴极还原反应,还原为（酸溶液）：O₂+4H⁺+4e→2H₂O

同时,由于腐蚀产物的存在,导致了缝内外的电化学不均匀性,从而引起了更大的腐蚀。

3.3 换热管水侧的腐蚀

由于换热器常用水做为热交换介质,因此水的腐蚀不容忽视。水的腐蚀主要是由于水中pH值降低、水汽渗透、溶解氧的存在以及水中有害的阴离子(Cl^-,S^2-等)侵蚀而引起的化学或电化学腐蚀。因此换热管表面防腐要求防腐表面具有良好的附着力、导热性、耐温变性和较大的硬度,同时要求有优良的耐化学离子侵蚀能力、较高的抗水汽渗透能力和一定的阻垢性。

3.4 管壳式换热器常见腐蚀

（1）氧腐蚀。管壳式换热器的易振动、介质流速高、相邻部位温度梯度等特点，决定了其氧腐蚀的特点。钢材都会氧化，但氧化并不一定会造成严重病蚀，因为其表面一层氧化膜可以阻碍氧化的继续进行。但如氧化膜不能均匀一致并牢固地贴附在表面上时，或者氧化膜与金属的膨胀系数相差较大而容易脱落时，氧化腐蚀就会继续进行，循环往复。而该换热器的特点决定了其氧化膜的容易脱落，所以就易发生严重氧腐蚀。

（2）硫腐蚀。在以含SO₂的工艺气体为介质的管壳式换热器中，受热面常在低温时发生硫腐蚀。其机理是SO₂在某些条件下会产生SO₃。SO₃与水蒸汽结合生成硫酸蒸汽，其露点温度在160℃以上。当温度降至酸露点时，就会产生硫酸，形成酸腐蚀。

（3）应力腐蚀。管壳式换热器在使用中应力、温度较高，其应力主要来源于负荷应力、热应力。负荷应力来自工作中的内压、振动、压力急剧波动引起的冲击载荷和由流体冲击引起的冲击反力。热应力来源于管子与壳体间的温差，管板、壳体的轴向、径向温差及由于流场分布不均或由于结垢引起的局部温度变化造成的温差应力。在应力作用下，一定的钢材和介质之间会发生脆裂。如在应力作用下的低碳钢遇到OH^－或NO₃^-时的苛性脆化，以及奥氏体合金钢遇到CI^－或0H^－时，在拉应力作用下发生的应力腐蚀裂纹尤为常见。

（4）缝隙腐蚀。管板与管子的连接采用胀-焊-胀或内孔焊接时，因管子与管板连接面上存在间隙而发生剧烈腐蚀的事例很多。对这种缝隙腐蚀机理有几种解释，一种认为由于缝隙内溶液流动受阻，又必须维持静滞的状态，使缝隙内外形成了金属离子浓差电池；另一观点认为缝隙内由于O₂浓度和pH值的降低或侵蚀性阴离子的浓缩，破坏了缝隙内金属的钝化，共结果也是形成缝除内外的浓差电池，发生严重腐蚀。

3.5 板式换热器常见的腐蚀类型

板式换热器的腐蚀主要是指板片的腐蚀。虽然板片大多数是由不锈钢薄板压制而成，而不锈钢又有极好的耐蚀性，但是在有些特殊的条件下，钝化膜被破坏将使不锈钢板片发生均匀的或局部的腐蚀。均匀腐蚀和局部腐蚀，是板式换热器不锈钢板片腐蚀的两大类型。常见的局部腐蚀又分为孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀，磨损和磨损腐蚀等类型。由于各种情况互相关联，板片在实际发生腐蚀的过程中，往往会出现几种不同的腐蚀形态。只是某种腐蚀比较明显地造成了破坏，而其它腐蚀还未达到破坏板片的程度。就危害性而言，局部腐蚀要比均匀腐蚀大得多，它常常具有突发性，给正常生产带来灾难。

4 结束语

换热器作为化工生产中重要的工艺设备和节能设备，其能否安全有效的运行直接影响到本装置和后续装置的正常生产和安全。据石油化工设备损坏的统计资料，在各类设备损坏的百分比中，换热器占的比例最高，换热器在设计制造及使用过程中经常由于密封结构设计不合理，板片安装、压紧操作不当，冷热介质操作条件不符合要求，检查、维修、保养不及时等原因发生泄漏、结垢堵塞、应力腐蚀破裂等失效事故。因此，保证板式换热器的正常运行，延长设备的使用寿命，减少各类失效事故的重复发生，对于保障企业正常生产具有重要意义。

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