雙相鋼列管式換熱器在高氯循環(huán)水中的應(yīng)用

楊文文，黎遠(yuǎn)中

(新疆新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 831408)

列管式換熱器在化工行業(yè)大型裝置中被普遍采用。在實(shí)際生產(chǎn)中，碳鋼和奧氏體不銹鋼列管式換熱器在高氯循環(huán)水中存在結(jié)垢、腐蝕、磨損等問(wèn)題，換熱性能不斷下降，甚至出現(xiàn)泄漏，給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。最近10年，我國(guó)在列管式換熱器防腐技術(shù)方面有較大進(jìn)步，但其中某些“換熱器專用防腐技術(shù)”為保證在高氯循環(huán)水中的防腐性能而增加防腐厚度使其換熱效果欠佳。某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的列管式換熱器與高氯循環(huán)水接觸部分采用2205雙相鋼替代碳鋼或奧氏體不銹鋼，優(yōu)化了列管式換熱器的局部結(jié)構(gòu)，并采取措施提高雙相鋼換熱器的加工質(zhì)量。改造后，取得了較好效果。

1 原因分析

該企業(yè)氯硅烷產(chǎn)品與循環(huán)水(氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4×10-4)進(jìn)行換熱的冷卻設(shè)備為碳鋼材質(zhì)列管式換熱器。使用1年后，拆開(kāi)檢查出現(xiàn)：列管內(nèi)壁存在不同程度的腐蝕和沖刷磨損，內(nèi)壁污泥較厚，在列管與管板之間的大部分焊縫余高被沖刷，有的焊縫周圍有裂紋；列管壁沖刷磨損后減薄，有少量的列管出現(xiàn)穿孔。通過(guò)物理方法清洗后，進(jìn)行渦流檢測(cè)，列管壁減薄量在40%左右，已不能繼續(xù)使用。分析認(rèn)為，高氯循環(huán)水中含有少量固體顆粒等，當(dāng)列管與管板焊接后存在殘余應(yīng)力時(shí)，10#或20#碳鋼管耐腐蝕和疲勞強(qiáng)度差，也不耐磨損，甚至在列管上產(chǎn)生裂紋。碳鋼換熱器沖刷磨損、腐蝕減薄現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 碳鋼換熱管沖刷磨損、腐蝕減薄圖

采用304L或316L奧氏體不銹鋼的列管式換熱器使用1年后，拆開(kāi)檢查發(fā)現(xiàn)：在列管與管板之間有5%～10%的焊縫周圍出現(xiàn)裂紋，2%～5%的列管壁沖刷磨損減薄。原因如下：①奧氏體不銹鋼管耐磨性和耐腐蝕性比碳鋼管強(qiáng)，但在氯化物環(huán)境或在氯離子濃度較高的環(huán)境下，列管與管板之間的焊接接頭的熱影響區(qū)耐晶間腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕的能力比較差；②在加工過(guò)程中，列管與管板采用脹接，存在較大的殘余應(yīng)力，奧氏體不銹鋼管很容易受應(yīng)力腐蝕而開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)。

圖2 奧氏體不銹鋼換熱管腐蝕開(kāi)裂圖

換熱器的泄漏影響了裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，因此，須采取有效措施，提高關(guān)鍵換熱器設(shè)備的性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

2 解決措施

(1)提高列管式換熱器材質(zhì)等級(jí)是延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的首選措施。因此，首先選用耐氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較強(qiáng)的經(jīng)過(guò)固溶處理的2205雙相不銹鋼作為列管式換熱器與循環(huán)水介質(zhì)接觸部件的材質(zhì)。2205雙相不銹鋼在低應(yīng)力下具有良好的耐氯化物點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕以及應(yīng)力腐蝕性能；2205雙相鋼同時(shí)具有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，與奧氏體不銹鋼相比，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，適合制作熱交換器的管芯(列管束)，換熱效率比奧氏體不銹鋼高，相同換熱面積的情況下，所需的換熱管的質(zhì)量減輕，相對(duì)降低采購(gòu)成本；雙相不銹鋼中含鉻量愈低，σ等脆性相的危害也愈小(高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于300 ℃的工作條件[1]；而該企業(yè)要更換材質(zhì)的換熱器使用的工作溫度都低于300 ℃)。換熱器與循環(huán)水介質(zhì)接觸的部件全部采用2205雙相不銹鋼，避免因材質(zhì)不同而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

(2)優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)。例如，為了增強(qiáng)列管的抗沖刷能力，在循環(huán)水的進(jìn)口端，當(dāng)列管壁厚在2～3 mm時(shí)，設(shè)計(jì)換熱器的列管伸出管板的長(zhǎng)度為3 mm(如圖3所示)；但對(duì)于立式換熱器的上管板，列管只伸出上管板1～2 mm，避免換熱器停用后積水而引起腐蝕(如圖4所示)。

圖3 管子伸出管板3 mm(換熱器進(jìn)口端)

圖4 管子伸出上管板1～2 mm(立式換熱器上管板)

(3)提高加工質(zhì)量，盡量減少列管式換熱器在制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

降低管板與折流板鉆孔的粗糙度(Ra 6.3以內(nèi)，見(jiàn)圖5);改進(jìn)加工方法，提高管板、折流板孔的加工精度和同心度，并控制折流板或支撐板相鄰孔及任意孔中心距偏差(比國(guó)標(biāo)要求高)，避免循環(huán)水中的污泥沉積或附著在列管與管板的縫隙里，產(chǎn)生點(diǎn)蝕或間隙腐蝕；列管與管板采用脹焊結(jié)合的方法，先焊后脹，盡量采用液壓柔性脹而不采用機(jī)械脹接(如果是機(jī)械脹接，必須先做試件)，既要保證脹接質(zhì)量，又要獲取恰當(dāng)?shù)拿浘o力，使列管脹接的附加應(yīng)力達(dá)到最低；為了保證列管的脹接質(zhì)量，還要求列管與管板連接處的硬度采取措施后比管板低20～30(布氏硬度HB)；從優(yōu)化焊接工藝、優(yōu)化焊接材料等方面著手，提高焊接質(zhì)量，減少焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。如果是U形換熱管，制作時(shí)存在冷加工變形，機(jī)械加工的殘余應(yīng)力將會(huì)影響雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能；尤其在冷變形量為20%時(shí)，要求通過(guò)固溶處理來(lái)恢復(fù)耐應(yīng)力腐蝕。通過(guò)對(duì)換熱器表面進(jìn)行酸洗鈍化或?qū)Q熱管進(jìn)行固溶處理，提高換熱器的耐腐蝕能力。

圖5 鉆孔粗糙度

此外，為了避免循環(huán)水中的氯離子或氯化物跟隨污泥沉積在列管與折流板孔之間發(fā)生縫隙腐蝕，應(yīng)控制循環(huán)水的流動(dòng)速度(低于0.9 m/s，水中的氯化物等容易沉積在折流板、支撐板及管板孔與列管的間隙里，產(chǎn)生局部腐蝕；低于0.6 m/s，出現(xiàn)均勻腐蝕)[2];減少或控制循環(huán)水的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<6×10-4，最好<2×10-4)及控制循環(huán)水中的pH值(8.0～9.0)，控制循環(huán)水中的濁度，減少冷卻塔破碎的PVC填料進(jìn)入換熱器,從而達(dá)到減緩列管式換熱器的腐蝕和沖刷磨損，延長(zhǎng)使用壽命;為了便于換熱管的清洗，設(shè)計(jì)考慮循環(huán)水介質(zhì)盡量走管程 ，而不走殼程；設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮管箱的冷加工成型封頭要進(jìn)行固溶處理。

3 效果

2014年7月，第一批雙相鋼換熱器投入使用。2015年4月,利用停車機(jī)會(huì)對(duì)更換的雙相鋼換熱管進(jìn)行了離線渦流檢測(cè)。打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水管內(nèi)壁光滑，無(wú)水垢、腐蝕、磨損，渦流檢查結(jié)果無(wú)質(zhì)量缺陷(見(jiàn)圖6)。另外，在2014年3月至2015年5月，對(duì)2205雙相鋼換熱器所用的循環(huán)水pH值、氯離子濃度等每周進(jìn)行在線檢測(cè)。從檢測(cè)結(jié)果看，采用高氯循環(huán)水(氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到1.4×10-3左右)的2205雙相鋼換熱器未發(fā)生泄漏，能夠繼續(xù)使用，使用效果比奧氏體不銹鋼換熱器好。從2014年7月開(kāi)始，第一批2205雙相鋼換熱器投用至今未出現(xiàn)故障。

圖6 換熱器更換7個(gè)月后的檢查結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

近十年來(lái)，雖然我國(guó)的設(shè)備防腐技術(shù)有所發(fā)展，但到目前為止，還不能完全在生產(chǎn)實(shí)踐中得到很好的應(yīng)用。對(duì)于連續(xù)性生產(chǎn)的企業(yè)，在使用列管式換熱器時(shí)，要根據(jù)其在生產(chǎn)中的重要程度、設(shè)備的性價(jià)比等因素，綜合考慮選擇換熱管的材質(zhì)。目前而言，奧氏體不銹鋼與2205雙相不銹鋼換熱器的制作費(fèi)用相差不大。為了充分利用雙相鋼導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步降低設(shè)備造價(jià)，建議與循環(huán)水接觸部分選擇耐腐蝕能力強(qiáng)的材質(zhì)(如2205雙相鋼)制作換熱器，而且循環(huán)水走管程；同時(shí)，優(yōu)化換熱器局部結(jié)構(gòu)，改進(jìn)換熱器局部制造工藝及加工方法，就能夠使列管換熱器長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。