鐘正軍 楊鐵樺(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223）

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大型氨冷凝換熱器腐蝕失效分析與預(yù)防措施

鐘正軍 楊鐵樺
(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223）

摘 要：某大型氨冷凝換熱器投料試車時換熱管發(fā)生穿孔導(dǎo)致氨泄漏。通過對循環(huán)水、腐蝕垢層和換熱管材質(zhì)等方面進(jìn)行腐蝕失效原因分析，結(jié)果表明垢下縫隙腐蝕是導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕失效的主要原因。同時，結(jié)合工程實際應(yīng)用經(jīng)驗提出了有效的預(yù)防措施，對避免類似事故的發(fā)生具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：換熱器 腐蝕失效 循環(huán)水 垢下縫隙腐蝕

0 引言

某年產(chǎn)50萬噸合成氨80萬噸尿素的化肥項目在氨壓縮機(jī)聯(lián)動試車過程中發(fā)現(xiàn)合成氨裝置氨制冷系統(tǒng)的一臺大型關(guān)鍵設(shè)備臥式氨冷凝換熱器殼程有氨泄露至管程，導(dǎo)致循環(huán)水中含有氨，并且氨的含量逐漸升高，最后達(dá)到300mg/L。打開設(shè)備后通入中壓氮氣檢查漏點，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的部分換熱管以及換熱管與管板焊接接頭發(fā)生氨泄漏。項目現(xiàn)場對該設(shè)備進(jìn)行了徹底檢修并根據(jù)實際情況就泄露的原因進(jìn)行的詳細(xì)分析。該氨冷凝換熱器的直徑為2300mm，每根換熱管總長為15000mm，其詳細(xì)的設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氨冷凝換熱器設(shè)計參數(shù)

1 循環(huán)水分析

從循環(huán)水進(jìn)入氨合成工序到發(fā)現(xiàn)氨冷凝換熱器氨泄漏，僅有4個月。除了氨冷凝換熱器出現(xiàn)氨泄漏外，合成氨裝置其他進(jìn)入循環(huán)水的換熱器設(shè)備都出現(xiàn)不同程度的腐蝕情況。打開氨冷凝換熱器后，發(fā)現(xiàn)管板和換熱管內(nèi)壁上粘結(jié)有很多淤泥，如圖1所示。用高壓水槍沖洗后發(fā)現(xiàn)管板和換熱管內(nèi)壁出現(xiàn)坑蝕，如圖2所示。經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水在進(jìn)入設(shè)備之前，循環(huán)水地下管網(wǎng)沒有進(jìn)行徹底沖洗，管網(wǎng)中的泥沙、粉塵等污垢被帶入了設(shè)備。

圖1 管板和換熱管內(nèi)壁粘結(jié)的污垢

圖2 管板和換熱管內(nèi)壁沖洗后的腐蝕形態(tài)

通常循環(huán)水能夠造成金屬設(shè)備腐蝕的原因一般有溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕、微生物電化學(xué)腐蝕和有害離子（如氯離子）引起的腐蝕[1]。根據(jù)對這三種腐蝕的不同機(jī)理分析[1]并結(jié)合管板與換熱管的腐蝕形態(tài)初步判斷氨冷凝換熱器的氨泄漏很可能是跟電化學(xué)腐蝕有關(guān)的垢下腐蝕引起的[2]。垢下腐蝕是一種特殊的局部腐蝕形態(tài)，其機(jī)理是由于沉積物附著在金屬表面，使得介質(zhì)的流動和電解質(zhì)的擴(kuò)散受到限制，造成被阻塞的空腔內(nèi)介質(zhì)化學(xué)成分與整體的介質(zhì)存在很多差異，最終形成濃度差電池（阻塞電池），導(dǎo)致金屬發(fā)生坑蝕。

為了進(jìn)一步分析確認(rèn)氨冷凝換熱器氨泄漏的具體原因，抽出2根泄露最嚴(yán)重的換熱管作為樣品，對換熱管內(nèi)壁的原始腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析，并對換熱管進(jìn)行化學(xué)成分和金相組織分析。

2 腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析

氨冷凝換熱器發(fā)生氨泄露后對循環(huán)水的水質(zhì)進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果是合格的。但循環(huán)水已經(jīng)在設(shè)備中循環(huán)了3個月，在這期間每天的水質(zhì)由于水處理車間的疏忽沒有檢測記錄，已無從調(diào)查，無法判斷這期間的循環(huán)水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。只能對氨冷凝換熱器的管板和換熱管內(nèi)壁的原始腐蝕產(chǎn)物（污垢和銹水等）分別取樣，利用X射線熒光（XRF）光譜法對污垢進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表2和表3所示。

表2和表3表明污垢中有氯離子和S元素存在。進(jìn)一步對銹水做離子色譜分析，結(jié)果如表4所示。

表4顯示循環(huán)水中有氯離子和硫酸根離子存在。通常情況下，氯離子含量在200ppm范圍內(nèi)，不會對碳鋼材料造成嚴(yán)重的腐蝕。

3 換熱管材質(zhì)分析

3.1 換熱管的金相結(jié)構(gòu)和組織分析

Q345D無縫管外表面基本保持原來金屬光澤，無銹跡。取一段已穿孔的換熱管作為試樣，將其沿縱向剖開，內(nèi)表面呈紅褐色的氧化鐵顏色，如圖3所示。從圖3中可以看出腐蝕產(chǎn)物呈鼓泡狀分布于換熱管內(nèi)表面，管內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，紅褐色的腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鐵，換熱管的基體金屬發(fā)生了嚴(yán)重氧化。

將換熱管內(nèi)表面清洗干凈后，其形態(tài)如圖4所示。從圖4可見大小不同、深淺不一的坑蝕孔洞，其中有一處已穿孔。對該處穿孔分析發(fā)現(xiàn)孔由換熱管的內(nèi)表面至外表面逐漸減小，說明換熱管是從內(nèi)表面腐蝕開始的，逐漸擴(kuò)大最終導(dǎo)致穿孔，是典型的點狀腐蝕失效，是換熱管內(nèi)表面金屬與管內(nèi)介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的。

表2 管板腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析

表3 換熱管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析

表4 銹水離子色譜分析

圖3 換熱管內(nèi)表面清洗前形態(tài)

圖4 換熱管內(nèi)表面清洗后的形態(tài)

為進(jìn)一步了解換熱管材質(zhì)的微觀組織，利用顯微鏡（200x）對其微觀組織進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5所示。從圖5可以得知，顯微組織為典型的珠光體+鐵素體，鐵素體和珠光體呈條狀沿變形方向分布，屬于正常的Q345D材料的正火狀態(tài)顯微組織。

3.2 換熱管的化學(xué)成分分析

換熱管的標(biāo)準(zhǔn)選用GB6479-2013《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》，材質(zhì)為Q345D。對換熱管的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表5所示。

通過比較表5中各種元素成分的標(biāo)準(zhǔn)值和實測值，表明換熱管的材質(zhì)完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 Q345D換熱管的微觀組織

4 腐蝕原因分析

綜合上述腐蝕形態(tài)觀察和檢測分析結(jié)果，表明換熱管管壁金屬發(fā)生氧化，出現(xiàn)嚴(yán)重的點狀腐蝕，同時也說明換熱管的材質(zhì)是合格的，發(fā)生腐蝕主要是污垢引起的。由于循環(huán)水在進(jìn)入設(shè)備之前，管網(wǎng)沒有進(jìn)行徹底沖洗，導(dǎo)致管網(wǎng)中的泥沙、粉塵等污垢進(jìn)入設(shè)備，在換熱管和管板表面形成垢層。這些垢層通常很疏松并伴有間隙存在，因而不能使換熱管壁形成有效的鈍化保護(hù)膜。垢層的密度、厚度和化學(xué)組成通常呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，這種狀態(tài)會造成金屬表面電化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，很容易引起電化學(xué)腐蝕。由于垢層的存在，垢層和換熱管內(nèi)壁之間會因為材質(zhì)的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同而存在狹小的縫隙，當(dāng)某一處的縫隙大小適當(dāng)既能讓循環(huán)水流入又能維持一適當(dāng)大小的靜滯區(qū)域時，縫隙內(nèi)溶解的氧難以通過垢層縫隙擴(kuò)散到金屬表面，最終會形成缺氧區(qū)域。缺氧區(qū)的管壁變成陽極，發(fā)生金屬的氧化反應(yīng)，從而形成金屬陽離子。隨著縫隙內(nèi)的氧逐漸消耗，陽離子會逐漸增多，而縫隙外的換熱管內(nèi)壁由于溶解氧的含量高就變?yōu)殛帢O，發(fā)生氧的還原反應(yīng)。最終，在縫隙內(nèi)外構(gòu)成了氧濃度差電池。

由于缺氧區(qū)域小而氧含量高的區(qū)域面積大，從而形成小陽極和大陰極的組合，這種組合的存在為腐蝕過程向金屬深處快速擴(kuò)展提供了的有利條件。同時，由于循環(huán)水中氯離子的存在，為了保持縫隙內(nèi)溶液的電中性，氯離子會遷移到縫隙中，引起縫隙中溶液的進(jìn)一步酸化，使垢下難以形成有效地鈍化膜[3]，從而在局部區(qū)域形成自催化的環(huán)境，使縫微生物腐蝕。此外，由于涂層表面光滑，硬度較高，摩擦系數(shù)小，不易滯留和沉積污垢，使換熱管的傳熱效果較好。本文所涉換熱器的換熱管后續(xù)采取涂層處理的方法，取得了良好的效果；

表5 換熱管材質(zhì)化學(xué)成分分析

（6）換熱器運行時要控制循環(huán)水的流速、流量使隙腐蝕加劇。此外，腐蝕反應(yīng)的速度與垢層內(nèi)外氧的濃度差成正比，隨著氧濃度差的增大，腐蝕反應(yīng)速度會加快。

基于上述分析，表明換熱管內(nèi)壁發(fā)生了嚴(yán)重的局部垢下縫隙腐蝕，縫隙腐蝕不斷向管壁深處發(fā)展，最終引起穿孔，使換熱管發(fā)生腐蝕失效。

5 避免垢下縫隙腐蝕的措施

結(jié)合本文所涉換熱器的后續(xù)處理方法以及類似設(shè)備問題的處理經(jīng)驗，防止垢下縫隙腐蝕可總結(jié)歸納為以下幾點具體措施：

（1) 高度重視對循環(huán)水的處理。在循環(huán)水進(jìn)入設(shè)備之前，要加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑等藥物對循環(huán)水進(jìn)行處理以控制換熱器的結(jié)垢和微生物淤泥的產(chǎn)生量，保證循環(huán)水的質(zhì)量合格；

（2）循環(huán)水管網(wǎng)的處理。在循環(huán)水進(jìn)入設(shè)備之前，必須對循環(huán)水管網(wǎng)進(jìn)行徹底沖洗并將沖洗過的臟水用干凈的水置換；

（3）設(shè)備的清洗。處理好的循環(huán)水進(jìn)入設(shè)備后，加入化學(xué)清洗劑，連同所有換熱器和其他設(shè)備進(jìn)行清洗處理；

（4）換熱器的預(yù)膜處理。換熱器正式進(jìn)入循環(huán)水之前，加入預(yù)膜劑，對其進(jìn)行預(yù)膜處理，預(yù)膜好后再進(jìn)行置換；

（5）換熱管的涂層處理。換熱管內(nèi)外表面和管板可以 涂防循環(huán)水腐蝕專用涂層（有機(jī)涂層和鈦納米涂層等），通過涂層的屏障和阻垢作用能夠減輕含氯離子較高的循環(huán)水的均勻腐蝕、點蝕、垢下腐蝕和其達(dá)到設(shè)計值，保證合理的水流速度可以減少結(jié)垢和腐蝕速度；

（7）充分利用每一次停車的機(jī)會，利用高壓水槍對換熱管進(jìn)行沖洗以清除管內(nèi)的污垢（換熱管有涂層時不可使用），延長換熱管的使用壽命；

（8）利用超聲波進(jìn)行防垢處理?？梢栽趽Q熱器上安裝超聲波清洗器，既可以防止污垢形成又可清除已有垢層，在循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用效果良好。

總之，為了避免垢下縫隙腐蝕，必須從循環(huán)水（包括水質(zhì)和管網(wǎng)）的處理、換熱器本身、設(shè)備運行過程的監(jiān)控以及維護(hù)等多方面綜合考慮，采取有效合理的防治措施，從而避免由于大型換熱器腐蝕而造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)論

綜上所述，本文中的氨冷凝換熱器在循環(huán)水環(huán)境下發(fā)生了嚴(yán)重的垢下縫隙腐蝕，又由于循環(huán)水中存在的有害離子（氯離子等）加劇了腐蝕速率，最終使換熱管局部穿孔導(dǎo)致失效。同時為了解決循環(huán)水的腐蝕問題，提出了一些有效可行的防治措施，對避免類似事故的發(fā)生有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TQ051.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.078.04

作者簡介：鐘正軍（1982年-），男，安徽合肥人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事壓力容器設(shè)計工作。

Analysis of Corrosion-Failure for Large-Size Ammonia Condensate Exchanger and Preventive Measures

ZHONG Zheng-jun YANG Tie-hua
(China Wuhan Engineering Co., Ltd.Wuhan 430223, China)

Abstract：A large-size ammonia condensate exchanger suffered to heat transfer tube perforation led to leakage of ammonia prior to start-up.It is indicated that the crevice corrosion under the scale is the main reason of corrosion failure of the heat exchange tube based on the corrosion failure analysis of circulating water, corrosion fouling layer and heat tube material property etc.Meanwhile, some effective measures are advised to avoid similar accidents according to practical experiences in relative engineering industry.

Keywords:heat exchanger; corrosion-failure; circulating water; crevice corrosion under the scale