換熱器管束短期失效分析及對策

王志魁

摘?要：換熱器是大型壓縮機機組中不可缺少的換熱裝置，它的高效運行是壓縮機機組正常運行的必要條件，也是壓縮器內(nèi)工藝氣體的溫度在安全范圍內(nèi)的保證。在設計范圍內(nèi)，換熱器的換熱效率和壽命與多種因素密切相關。其中，換熱管內(nèi)外介質(zhì)的組成對換熱管束的腐蝕有顯著的影響。

關鍵詞：換熱器;管束;短期失效;對策

某煉化公司一臺水煤氣壓縮機換熱器，管內(nèi)介質(zhì)為水煤氣，管外介質(zhì)為循環(huán)水。換熱器殼程溫度在30℃～120℃，管程工作溫度在20℃～40℃，工作壓力在0.2MPa～1.2MPa。該換熱器的換熱管管束在短期內(nèi)（<6個月）便發(fā)生泄漏。導致泄漏的原因很多，本文從多方面分析泄漏的原因。在分析的基礎上，對介質(zhì)的組成、換熱管束的清洗以及后續(xù)的實時檢測提出相應的措施，以保證換熱器工作效率及使用壽命。

1工藝分析

該換熱器管束材料為20號鋼，管程與殼程內(nèi)介質(zhì)分別為水煤氣和循環(huán)水。

2泄漏原因分析

2.1宏觀形貌

取泄漏管束中的一段進行分析，換熱管內(nèi)外部銹蝕嚴重，有泄漏孔出現(xiàn)。換熱管外部有黃色的銹跡，管內(nèi)部的顏色相對較深，黑色銹跡。此外，還有許多點蝕坑出現(xiàn)。將腐蝕層外側黃色銹跡除去后發(fā)現(xiàn)內(nèi)側呈黑色。說明除了在換熱管外部有大量的氧化亞鐵存在外，其里層已經(jīng)被深度氧化成氧化鐵。

2.2腐蝕物成分分析

對換熱管腐蝕層成分進行分析，腐蝕層中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。這說明腐蝕層具有大量的氧化鐵和氧化亞鐵存在。氧化亞鐵呈現(xiàn)出黃褐色，氧化鐵則呈現(xiàn)出黑色。Si的含量符合20號鋼標準的規(guī)定;Ca離子以碳酸鈣和硅酸鈣的形式存在;Mg離子的存在加速管道的結垢;除此以外，大量Cl元素的存在加速了對20號鋼材電腐蝕。

2.3金相分析

20鋼管經(jīng)過冷拔后，基材呈帶狀，白色的為拉伸的鐵素體，拉伸方向沿管子縱向方向;黑色的為珠光體。除銹拋光后的金相組織沒有發(fā)生改變。由此可以判斷，該換熱管的基材符合標準，不是造成泄漏的原因。通過宏觀形貌、微觀形貌以及腐蝕層的化學元素分析可知，管束內(nèi)外表面均發(fā)生了腐蝕，且外表面的腐蝕厚度大于內(nèi)表面的腐蝕厚度，泄漏孔由外表面穿向內(nèi)表面。主要原因是循環(huán)水中存在較高的O含量，Cl、Ca和Mg離子的含量也超標。而在實際生產(chǎn)中，該循環(huán)水處理為開放式，水中含有大量的O2存在。換熱設備在高溫高壓下工作，由于換熱管與介質(zhì)的導熱系數(shù)不一致，因此在換熱管附近的介質(zhì)形成溫度梯度，在溫度梯度的作用下，溶解的O2被源源不斷地帶入到管壁，與其接觸并作用，這是導致?lián)Q熱管束在短期內(nèi)就產(chǎn)生嚴重泄漏的主要原因。此外，循環(huán)水中無機鹽離子的存在，對換熱管起到腐蝕作用。

3換熱器管束分析檢測

3.1外壁沉積物檢測分析

為了更好地了解管束外壁的腐蝕狀態(tài)，對其表面的沉積物進行取樣，借助離子濺射儀完成樣品的制備，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對沉積物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束外圍附著近1mm厚的沉積物，呈現(xiàn)出表面致密，靠近管壁處較為松軟的狀態(tài)。能譜分析結果表明管束外圍附著的沉積物成分是硫化亞鐵，摻雜微量的氧化鐵。硫化亞鐵組織結構疏松，可能來自管束內(nèi)介質(zhì)附帶的鐵銹，也可能來自于頂循油內(nèi)硫元素與管束的化學反應，均勻附著于管束外圍。

3.2外壁腐蝕狀況檢測分析

為了更清晰的觀察管束外圍的腐蝕情況，在換熱器中取長度為30mm的管束，將其外圍的沉淀物清理干凈，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對表面存在的腐蝕物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束表面的腐蝕程度較輕，呈現(xiàn)出均勻腐蝕的狀態(tài)，腐蝕物質(zhì)分布極為致密。能譜分析結果表明管束表面的腐蝕物質(zhì)為含鐵元素和氯元素的化合物。由換熱器管束表面即使出現(xiàn)了腐蝕狀況，但是并不嚴重，不是管束泄露的主要原因，極有可能是管束內(nèi)壁的嚴重腐蝕所致。

3.3內(nèi)壁沉積物檢測分析

為了進行管束內(nèi)壁腐蝕情況的觀察，截取長度為50mm的管束，將其刨切為兩半。首先在管束內(nèi)壁位置取沉積物樣品，目測管束內(nèi)壁包含鐵銹和水垢兩種沉積物。之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對沉積物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束內(nèi)壁存在較多的水垢，水垢表面存在大量裂紋，并未緊緊附著與管束內(nèi)壁;鐵銹本身的致密性較差，極易破損成粉狀，但是緊緊附著于管束表面，不易清理。能譜分析結果表明水垢的主要組成包括鐵銹、碳酸鹽等;鐵銹的主要成分為鐵的氧化物。

3.4內(nèi)壁腐蝕狀況檢測分析

對于管束內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)的觀察，需要在泄漏管束中截取長度為30mm管段，刨開之后清除管束內(nèi)壁上附著的沉積物，取出腐蝕程度較大的位置制備分析樣品，之后在掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并對腐蝕物進行能譜分析。微觀組織觀察結果表明管束未泄漏位置存在較多的點蝕坑，直徑尺寸在2.5～3mm之間，深度尺寸在1.5mm左右，繼續(xù)腐蝕將會穿透管束，導致管束泄漏。能譜分析結果表明腐蝕坑內(nèi)部的腐蝕物質(zhì)成分組成為鐵的氧化物，同時夾雜微量的氯化物及硫化物。綜合以上檢測結果可以得出管束出現(xiàn)泄漏是由內(nèi)壁腐蝕出現(xiàn)的點蝕坑深度不斷增加導致的。

4解決方案

4.1更換和清洗換熱管

首先對該換熱管束進行整體排查，將泄漏的管進行更換。然后對換熱器進行整體化學清洗。在化學清洗前，根據(jù)腐蝕的情況確定清洗方案如下：酸洗除銹———預膜形成金屬保護膜。此外，對開放式的水處理改用封閉式的處理方式。避免水處理中含氧量的增加。

4.2循環(huán)水處理

在給換熱器清洗和預膜后，還應該對循環(huán)水進行處理。為了節(jié)約水資源，根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)，篩選出適用性強的高效緩蝕阻垢劑添加到其中。目前，水處理采用的有機阻垢劑有膦酸類阻垢劑、羧酸類阻垢劑、膦酸羧酸類阻垢劑等。最常用的阻垢劑是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸鹽共聚物組成的復合緩蝕阻垢劑。這些有機酸對金屬表面形成的保護膜起到保護作用，同時對循環(huán)水中的碳酸鈣等均有良好的螯合分散和晶格畸變作用。

4.3循環(huán)水日常管理

循環(huán)水管理素有“三分藥劑，七分管理”之說。在循環(huán)水正常運行后，在升溫、蒸發(fā)和冷卻的過程中，水質(zhì)會發(fā)生變化。因此，日常運行主要根據(jù)水質(zhì)變化情況進行及時調(diào)整，每天定時分析和上報。

與此同時，還要對容器的腐蝕速度和結垢進行測定。將一定規(guī)格的金屬掛片安裝在循環(huán)水出口管線上的引出管中，一個月后取出稱重。根據(jù)掛片的失重情況，可判斷腐蝕速度。根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設計規(guī)范》（GN50050-2007）規(guī)定，冷熱設備碳鋼管關閉的腐蝕速度<0.075mm/a。采用監(jiān)測換熱器法，模擬換熱器的操作條件，用飽和蒸汽作介質(zhì)。運行一個月后取下測算腐蝕率和黏附速率，污垢熱阻反映結構情況。要求達到《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設計規(guī)范》（GN50050-2007）規(guī)定：換熱設備水側管壁的年污垢熱阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉積速率≤20mg/cm2·月。

結論

通過上述分析可知，本文中換熱管材質(zhì)合格，造成換熱管束短時期失效的主要原因是循環(huán)水水質(zhì)的問題。因此，針對該問題提出了解決方案。首先對腐蝕嚴重的換熱管清洗。其次，對循環(huán)水水質(zhì)進行阻垢緩蝕處理。在正常運行后，分別對換熱管的腐蝕和循環(huán)水的水質(zhì)進行監(jiān)控。保證換熱器在設計工況下進行運行的同時，定期進行清洗以使換熱器達到高效換熱并延長使用壽命。

參考文獻

[1]?周葆紅，李言浩，王志亮，等.U形管式換熱器管束失效分析及防范[J].化工設備與管道，2019，40（006）：48-52.