煤化工裝置循環(huán)水換熱器腐蝕原因分析及防護(hù)措施

李瑞龍，陳湊喜，楊靖華

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油項(xiàng)目工程指揮部煤制油分公司，寧夏 靈武 750411)

煤化工裝置循環(huán)水換熱器腐蝕原因分析及防護(hù)措施

李瑞龍，陳湊喜，楊靖華

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油項(xiàng)目工程指揮部煤制油分公司，寧夏 靈武 750411)

本文對煤化工裝置換熱器的常見腐蝕情況及原因進(jìn)行了客觀分析, 分析得出設(shè)備發(fā)生腐蝕的幾種類型, 并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

循環(huán)水；換熱器；腐蝕；防護(hù)

換熱器是在化工生產(chǎn)裝置中廣泛應(yīng)用的重要設(shè)備，往往占到整個(gè)設(shè)備投資比重的1/3以上[1]，其中，又常以循環(huán)水換熱器居多，應(yīng)用也最為廣泛。循環(huán)水換熱器換熱效果的好壞，或是否存在介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，往往關(guān)系著整個(gè)化工裝置是否能夠安全、平穩(wěn)、長周期、高效運(yùn)行[2]。 許多化工裝置都曾發(fā)生過由于循環(huán)水換熱器腐蝕、堵塞造成換熱效果差甚至導(dǎo)致物料互竄的重大安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而被迫采取緊急停車的設(shè)備事故。特別是現(xiàn)代煤化工裝置，循環(huán)水換熱器常以碳鋼材質(zhì)居多，介質(zhì)側(cè)又多以合成氣（CO+ H2）、CO、CO2、CH3OH、H2S、丙烯、丙烷以及其它有機(jī)酸居多。由于各類客觀因素，在日常生產(chǎn)管理過程中，經(jīng)常發(fā)生循環(huán)水換熱器設(shè)備出現(xiàn)管束堵塞、磨損、穿孔、殼體減薄、孔蝕等嚴(yán)重腐蝕問題。為此，我們對煤化工裝置循環(huán)水換熱器常見的腐蝕現(xiàn)象的類別、問題成因等進(jìn)行客觀、科學(xué)的分析，并研究提出相應(yīng)的防腐優(yōu)化、改進(jìn)措施，以期為循環(huán)水換熱器設(shè)備的采購選用、日常維護(hù)及檢維修作業(yè)提供有益的理論參考和現(xiàn)實(shí)借鑒。

1 常見的腐蝕類別

1.1 垢下腐蝕

垢下腐蝕是煤化工裝置存在的最為廣泛的一類腐蝕。當(dāng)循環(huán)水中Ca2+、Mg2+總含量或者微生物黏泥、泥沙等其他固體含量偏高時(shí)，循環(huán)水將具有較強(qiáng)的結(jié)垢性。水中各類雜質(zhì)極易在換熱器管束內(nèi)壁的某些缺陷部位進(jìn)行結(jié)垢，從而形成垢下缺氧、垢外富氧的特殊環(huán)境。在這類環(huán)境條件下，循環(huán)水冷媒介質(zhì)中就會形成以低電位鐵素體為陽極、高電位碳化鐵為陰極的腐蝕電池[3]，從而使換熱器材質(zhì)受到侵蝕，形成一類自催化、閉塞電池過程的垢下腐蝕現(xiàn)象。其中，陽極發(fā)生反應(yīng)：2Fe-4e-→2Fe2+，陰極發(fā)生反應(yīng)：4e-+2H2O+O2→4(OH)-。

1.2 氯離子腐蝕

循環(huán)水中含有的氯離子會對換熱器造成一定的腐蝕，這類腐蝕一般也發(fā)生在垢下蝕孔或縫隙中。碳鋼材質(zhì)金屬一旦因腐蝕發(fā)生溶解，生成的Fe2+將會聚集在縫隙或蝕孔中。為了保持溶液的電中性，大量的Cl-就會遷移到相應(yīng)蝕孔或縫隙中，從而產(chǎn)生高濃度的FeCl2。FeCl2可進(jìn)一步水解生成可溶性的鹽酸和不溶性的氫氧化鐵，從而對碳鋼材質(zhì)的循環(huán)水換熱器造成腐蝕?？偡磻?yīng)式：FeCl2+ 2H2O→Fe( OH)2+2H++2Cl－。

1.3 溶解氧腐蝕

循環(huán)水在途經(jīng)冷卻塔等開放式冷卻系統(tǒng)時(shí)，會與空氣發(fā)生充分接觸，空氣中的氧會部分溶解于循環(huán)水中，導(dǎo)致循環(huán)水中的溶解氧得到持續(xù)補(bǔ)充，進(jìn)而在換熱器管束內(nèi)壁形成氧濃差的原電池。其中，由于氧的電極電位高于鐵金屬的電極電位，在該電化學(xué)腐蝕過程中鐵金屬作為陽極發(fā)生氧化反應(yīng)被腐蝕，氧作為陰極發(fā)生還原反應(yīng)。其中，陽極發(fā)生反應(yīng)：Fe-2e→Fe2+；陰極發(fā)生反應(yīng)：1/2O2+H2O+2e→2OH-。

1.4 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指在受拉應(yīng)力的作用下，換熱器金屬在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的一類腐蝕形態(tài)。循環(huán)水換熱器常發(fā)生的應(yīng)力腐蝕類型有Cl-應(yīng)力腐蝕、S2-應(yīng)力腐蝕和H+應(yīng)力腐蝕。即使對于不銹鋼等優(yōu)秀的抗腐蝕材質(zhì)換熱器，當(dāng)Cl-濃度＞30mg·L-1、溫度＞75℃時(shí)，也會發(fā)生顯著的Cl-應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，S2-應(yīng)力腐蝕則常發(fā)生在高強(qiáng)度鋼材質(zhì)的換熱器中。

2 腐蝕防護(hù)措施

根據(jù)循環(huán)水換熱器投用的工藝條件以及材質(zhì)、環(huán)境因素，可以從換熱器設(shè)備本體、設(shè)備運(yùn)行過程監(jiān)控及維護(hù)、循環(huán)水水質(zhì)、流速以及主動防御清洗等多方面進(jìn)行措施優(yōu)化，進(jìn)而綜合采取科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的防腐措施，減少因循環(huán)水換熱器腐蝕造成的意外生產(chǎn)事故、事件的發(fā)生。

2.1 選用高耐腐蝕性材料

要從根本上降低循環(huán)水換熱器發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型和制造過程中，盡量減少使用普通碳鋼材料，而優(yōu)先考慮使用高耐腐蝕性材料。例如不銹鋼(如1Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10、08Cr2AlMo)、超低碳不銹鋼(如304L、316L、443、439)及雙相不銹鋼(如S32205、S32750)等都是非常出色的抗腐蝕性金屬材料。當(dāng)然，該類高耐腐蝕性材料的價(jià)格相對較高，因此，該類材料的選用應(yīng)綜合考慮其他抗腐蝕措施，兼顧經(jīng)濟(jì)性、耐用性、便捷性等多方面因素。

2.2 涂刷耐腐蝕涂料

在普通碳鋼材質(zhì)換熱器內(nèi)涂刷耐腐蝕性涂料，不僅可以大幅提高換熱管束抗銹、抗侵蝕、抗沖擊、耐溫變的性能，還可以有效隔離碳鋼材質(zhì)換熱器表面與循環(huán)水的接觸，有效降低各類沉積與積垢現(xiàn)象的發(fā)生，一定程度上提高循環(huán)水換熱器抗腐蝕性能以及綜合換熱效率[4]。近年來，常用的循環(huán)水換熱器耐腐蝕涂料有C-H848、CH-784、TH-847、LX-08、DH-22-2等，該類耐腐蝕涂料通常需要涂刷至一定的厚度，一般至少控制在200μm以上。

2.3 異種鍍層防腐

異種鍍層防腐技術(shù)是近年來逐漸興起的一類金屬防腐新方法。其中，最具代表性、應(yīng)用也較為廣泛的就是化學(xué)鍍鎳磷技術(shù)。它利用特定還原劑，使溶液中的Ni2+有選擇地在催化活化的換熱器金屬表面上還原析出，從而形成金屬鍍層（也稱金屬玻璃）[5]。該金屬防腐新技術(shù)具有耐腐蝕性強(qiáng)、耐摩擦性好、傳熱性優(yōu)、耐結(jié)垢等優(yōu)良特性。

2.4 電化學(xué)保護(hù)

常用的電化學(xué)保護(hù)方法主要以陰極保護(hù)法為主。陰極保護(hù)法主要是將金屬鐵的電極電位向負(fù)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使換熱器的金屬材質(zhì)不處于E-pH腐蝕區(qū)，進(jìn)而降低或抑制陽極發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[6]。具體可通過外加電流或犧牲陽極兩類途徑實(shí)現(xiàn)。其中，犧牲陽極法在煤化工生產(chǎn)裝置循環(huán)水換熱器防腐中應(yīng)用較為普遍，它具有施工簡單、管理方便、對附近設(shè)備無干擾等特點(diǎn)。目前，常用的犧牲陽極材料主要有鋅合金、鋁合金、鎂合金。

2.5 循環(huán)水質(zhì)管控

在循環(huán)水引入換熱器前，可先加入預(yù)膜劑，對換熱設(shè)備進(jìn)行過濾、預(yù)膜、置換處理后，再在循環(huán)水管網(wǎng)系統(tǒng)中加入適量的緩蝕阻垢劑、殺菌滅藻劑、防腐緩蝕劑等藥物，對水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的生化處理，從而降低循環(huán)水中Ca2+、Mg2+、Cl-以及溶解氧的濃度，控制換熱器內(nèi)部結(jié)垢、微生物淤泥堆積以及溶解氧的含量，進(jìn)而降低循環(huán)水在換熱器中發(fā)生各類腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 循環(huán)水流速管控

循環(huán)水換熱器運(yùn)行期間，要定期監(jiān)測、控制好循環(huán)水的流速。原則上管程的流速不得低于1m·s-1，同時(shí)，要確保循環(huán)水流量達(dá)到工藝設(shè)計(jì)值，從而有效減少管束內(nèi)壁沉積、結(jié)垢，以及由此造成的管束垢下腐蝕等問題發(fā)生[7]。

2.7 主動清洗防御措施

要充分利用每一次停車檢修的機(jī)會，采用高壓水槍、超聲清洗等方式，對換熱管束、內(nèi)管壁等易臟污、結(jié)垢部位進(jìn)行沖洗。甚至在裝置無法停車、設(shè)備無法工藝交出時(shí)，可采取在線清洗等非常規(guī)措施[8]，以最大程度消除管內(nèi)發(fā)生各類腐蝕的環(huán)境因素，盡可能延長換熱器設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié)語

綜上所述，我們對煤化工生產(chǎn)裝置循環(huán)水換熱器發(fā)生腐蝕的類型和產(chǎn)生原因進(jìn)行了客觀、科學(xué)的分析，并提出了一系列有效、可行的防治措施，以期對同類煤化工裝置的循環(huán)水換熱器防腐蝕管理工作提供有益的參考。

[1] 董舒民，姜德林.煉油廠換熱器腐蝕分析及防護(hù)[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2006，35(10)：34-35.

[2] 崔正丹.煉油廠水相換熱器碳鋼材料的腐蝕與防護(hù)措施研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.

[3] 伏建華，李志剛.緩蝕劑在苯乙烯精餾裝置中的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2011，28(4)：50-52.

[4] 曾超，譚斌，吳占永.重整預(yù)加氫進(jìn)料換熱器腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2013，30(2)：14-15.

[5] 安維崢，王維民，石永強(qiáng)，高磊.海洋平臺海水換熱器腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀與趨勢[J].廣州化工，2010，38 (1)：23-26.

[6] 詹柏林，朱有蘭，陳穎，張永泉.金屬換熱器防腐技術(shù)研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(12)：79-82

[7] 雍曉靜，江永軍，欒輝寶，楊帥，羅春桃. MTP裝置換熱器E-60562腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2016，19(4)：67-70

[8] 李紅媛.化工循環(huán)水換熱器單臺在線清洗與防護(hù)[J].化工管理，2015(8)：30.

Corrosion Cause Analysis of Heat Exchanger in Coal Chemical Industry and its Protection

LI Ruilong, CHEN Couxi, YANG Jinghua
(Project of Coal to Oil, Shenhua Ningxia Coal Group, Lingwu 750411, China)

TE 97

B

1671-9905(2016)12-0052-02

2016-10-25