煤化工換熱器腐蝕現(xiàn)狀分析

袁天孝，李宏燕

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

在煤化工生產(chǎn)過程中，不同的反應(yīng)需要在不同的溫度條件下進(jìn)行，同時(shí)，也為了保證設(shè)備的安全，需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。因此，換熱器在化工生產(chǎn)裝置中得到了極大的應(yīng)用，設(shè)備的投資占比超過了整個(gè)設(shè)備投資的1/3。

由于換熱器的大量使用，保證其安全運(yùn)行變得極為重要，一旦換熱器發(fā)生故障，不僅導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低影響生產(chǎn)，還會(huì)導(dǎo)致物料互竄，從而引發(fā)重大安全事故。

在煤化工生產(chǎn)過程中，換熱器的介質(zhì)往往具有一定的腐蝕性，同時(shí)，工業(yè)循環(huán)水的水質(zhì)也難以得到保證。換熱器工作條件的復(fù)雜性，使得其在整個(gè)生產(chǎn)線中成為腐蝕狀況頻繁發(fā)生的設(shè)備。

換熱器腐蝕情況的發(fā)生，不僅縮短了換熱器的使用壽命，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

通過對(duì)煤化工企業(yè)換熱器的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前，存在的主要腐蝕形態(tài)有垢下腐蝕、氯離子腐蝕、沖刷腐蝕、應(yīng)力腐蝕等幾種類型，在對(duì)企業(yè)換熱器腐蝕機(jī)理的分析過程中，主要有電化學(xué)方法和觀察法2 種手段。

本文結(jié)合煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了煤化工企業(yè)不同換熱器的腐蝕形態(tài)，討論了不同的腐蝕防護(hù)技術(shù)的原理，并對(duì)應(yīng)用與煤化工換熱器用的腐蝕防護(hù)措施，以及未來腐蝕防護(hù)的研究方向進(jìn)行了初步展望。

1 換熱器腐蝕形態(tài)分析

通過對(duì)煤化工企業(yè)換熱器的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前，煤化工企業(yè)裝置中的換熱器主要存在的腐蝕形態(tài)有垢下腐蝕、氯離子腐蝕、沖刷腐蝕、應(yīng)力腐蝕等幾種類型。

1.1 垢下腐蝕

垢下腐蝕是一種特殊的局部腐蝕現(xiàn)象，在煤化工裝置中極為普遍。垢下腐蝕的機(jī)理為當(dāng)水中的各類雜質(zhì)在換熱器的缺陷部位結(jié)垢時(shí)，會(huì)形成垢下缺氧、垢外富氧的特殊環(huán)境。在該環(huán)境下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，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器垢下腐蝕的發(fā)生。

在進(jìn)行水循環(huán)過程中，如果循環(huán)水中鈣鎂離子含量較高或水質(zhì)較差時(shí)，循環(huán)水的結(jié)垢性將會(huì)提高，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱管外壁以及死角處結(jié)垢。根據(jù)沉積物種類不同，分為無機(jī)鹽結(jié)垢、污垢、生物黏泥和物料沉積4 種形式。

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)幾家煤化工企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，垢下腐蝕的失效占循環(huán)水換熱器失效總數(shù)的一半以上，其發(fā)生部位主要集中在管板與換熱管的角焊縫、管束進(jìn)口附近、管箱封頭和隔板等部位。

垢下腐蝕不僅影響換熱介質(zhì)的流動(dòng)效率以及換熱效率，還導(dǎo)致了設(shè)備的腐蝕失效，對(duì)換熱器工作造成了巨大影響。

1.2 氯離子腐蝕

由于換熱器大部分采用碳鋼材質(zhì)，且循環(huán)水基本不進(jìn)行特殊的防腐處理，導(dǎo)致了循環(huán)水中的氯離子對(duì)換熱器造成了嚴(yán)重的腐蝕。

當(dāng)換熱器材料表面存在污漬或缺陷時(shí)，Cl-將在此部位聚集，導(dǎo)致金屬鈍化膜發(fā)生溶解。金屬鈍化膜溶解后，F(xiàn)e2+濃度升高，Cl-隨之大量遷移，并在縫隙或蝕孔中生成高濃度的FeCl2。FeCl2可進(jìn)一步水解生成不溶的氫氧化鐵，從而對(duì)碳鋼材質(zhì)的循環(huán)水換熱器造成腐蝕。

影響Cl-腐蝕的主要因素有以下幾點(diǎn)。

（1） 循環(huán)介質(zhì)溫度：在煤化工企業(yè)中，換熱器一般在較高溫度下運(yùn)行，而Cl-腐蝕開裂的敏感性隨溫度升高而增強(qiáng)，因此，較高的溫度進(jìn)一步促進(jìn)了Cl-腐蝕的發(fā)生。

（2） Cl-濃度：隨著Cl-濃度不斷增加，腐蝕敏感性也逐步上升，尤其當(dāng)溫度較高時(shí)，應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性隨Cl-濃度的增加而不斷增大。

Cl-濃度與斷裂時(shí)間tf的關(guān)系為：

式中：[Cl-]表示Cl-濃度，其濃度范圍為50 mg/L≤[Cl-]< 600 mg/L。

（3） 設(shè)備材質(zhì)：不同的設(shè)備材質(zhì)對(duì)于Cl-腐蝕的敏感性不同。研究發(fā)現(xiàn)，Ni 含量越高，材料抵抗Cl-腐蝕的性能越強(qiáng)；當(dāng)Ni 含量在8%～12%時(shí)，開裂敏感性最大；當(dāng)Ni 含量>35%時(shí)，具有較高的氯化物應(yīng)力腐蝕抗力；當(dāng)Ni 含量>45%時(shí)，基本上不會(huì)發(fā)生氯化物應(yīng)力開裂。

1.3 沖刷腐蝕

在煤化工企業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，換熱器主要對(duì)流體進(jìn)行換熱，因此，在流體流速相對(duì)較高時(shí)，沖刷腐蝕就變得尤其明顯。

沖刷腐蝕是沖刷磨損與電化學(xué)腐蝕相互作用的結(jié)果，相較于相同條件下單純的沖刷磨損或者電化學(xué)腐蝕，沖刷與腐蝕協(xié)同作用所造成的材料損失要遠(yuǎn)大于這2 種因素單獨(dú)作用之和。

一般情況下，機(jī)械磨損在沖刷腐蝕中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，設(shè)備本身所選材料的硬度是影響沖刷磨損的最根本因素。

根據(jù)Jana 等人的研究發(fā)現(xiàn)，沖刷磨損的速率可由以下公式得出：

式中：Ke為磨損速率；C 為含沙量；Ui為流體流速；EM為無因子侵蝕率。

根據(jù)Finnie 的第一模型和第二模型，可以得知無因子侵蝕率與砂礫百分含量、回彈系數(shù)、金屬材料密度、硬度以及沖刷角有關(guān)。

由式（2） 可知，機(jī)械磨損的主要影響因素為流體的流速以及流體內(nèi)的含砂率，但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，隨著流速的不斷提高和含砂率的不斷增大，金屬材料的磨損程度并不是一直增加的。

根據(jù)Meng 等人的研究推測(cè)，式（2） 僅適用于流速較低、含沙量不大的情況。

根據(jù)王海紅等人的研究，以N80 鋼為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速為1 m/s 時(shí)，試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜并未遭到破壞，未出現(xiàn)明顯的沖刷磨損現(xiàn)象。當(dāng)流速增加至2 m/s 時(shí)，試樣表面產(chǎn)生個(gè)別點(diǎn)蝕以及與沖刷方向相同的剝離痕跡。隨著流速的進(jìn)一步增加，點(diǎn)蝕坑的數(shù)量逐漸增多，剝離痕跡逐漸加深。當(dāng)流速增加到3 m/s 時(shí)，小的點(diǎn)蝕坑連接到一起，溝槽也變得更加密集，樣品表面腐蝕產(chǎn)物膜被完全剝離。此時(shí)物料對(duì)于樣品的沖刷磨損速度大于腐蝕產(chǎn)物膜的生成速度。

在沖刷腐蝕中，沖刷磨損與電化學(xué)腐蝕相互促進(jìn)，設(shè)備內(nèi)部流體通過不斷的沖刷，一方面為電化學(xué)腐蝕過程提供了大量的氧，促使電化學(xué)腐蝕進(jìn)一步加速。另一方面，流體的沖刷使得材料表面的鈍化層在機(jī)械力的作用下逐漸減薄甚至消失，使得電化學(xué)腐蝕更容易發(fā)生。

同時(shí)，由于機(jī)械的沖刷導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生凹坑，從而增大了設(shè)備的比表面積進(jìn)而促進(jìn)電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

電化學(xué)腐蝕的不斷發(fā)生，使得材料的表面變得更加粗糙，從而引起了微湍流的出現(xiàn)，并促進(jìn)了沖刷磨損，同時(shí)，電化學(xué)腐蝕還可以破壞材料表面的加工硬化，不僅降低其疲勞強(qiáng)度，同時(shí)，也促進(jìn)了沖刷磨損。

1.4 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是在一定的應(yīng)力條件下，材料與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)相互作用從而引發(fā)的材料破壞的過程。應(yīng)力腐蝕作用情況較為復(fù)雜，影響因素主要可分為以下幾點(diǎn)。

（1） 應(yīng)力強(qiáng)度：材料所受應(yīng)力強(qiáng)度是材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的重要影響因素，當(dāng)材料所受應(yīng)力超過一定范圍后才會(huì)誘發(fā)應(yīng)力腐蝕，且材料的應(yīng)力腐蝕敏感性隨殘余應(yīng)力的增加而上升。

（2） 工作溫度：焦洋等人通過慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低電導(dǎo)率、低含氧量的條件下，304 不銹鋼于200 ℃附近出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的速率峰值，且后續(xù)有減小趨勢(shì)，而在溶解氧或電導(dǎo)率較高的水中，速率隨溫度升高而增大，但當(dāng)溫度>150～200 ℃時(shí)，其增長(zhǎng)速率減緩。

（3） pH 值：材料所處環(huán)境的酸堿性對(duì)于其應(yīng)力腐蝕的敏感性具有較大影響。以不銹鋼為例，當(dāng)溶液pH 值<7 時(shí)，材料敏感性隨pH 值的降低而增加。

（4） 溶液中的溶解氧以及陰離子：根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)氯離子、硫酸根離子、硫化物等對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性的影響較為顯著。同時(shí)，溶解氧含量在一定范圍內(nèi)對(duì)材料的裂紋擴(kuò)展速率也有著顯著影響。當(dāng)溶液中溶解氧含量<200 μg/L 時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率隨含量的增加而明顯上升，但當(dāng)含量>700 μg/L 時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率隨溶解氧含量的增加趨于平緩。

2 腐蝕研究方法與技術(shù)

隨著材料分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，腐蝕研究方法技術(shù)也得到了快速發(fā)展。目前，較為常用的研究技術(shù)有電化學(xué)法、樣貌觀察法等。

2.1 電化學(xué)法

電化學(xué)法主要包括電化學(xué)阻抗譜法、恒電位極化法、循環(huán)動(dòng)電位極化法、循環(huán)動(dòng)電位極化法、腐蝕電位法等。

2.1.1 電化學(xué)阻抗譜法

電化學(xué)阻抗譜法（Electrochemical impedance spectroscopy，EIS） 又稱交流阻抗法，是指在待研究的電化學(xué)體系中輸入小振幅的正弦波電勢(shì)（或電流），使其產(chǎn)生近似線性相關(guān)的響應(yīng)，以獲得電化學(xué)體系寬頻域的阻抗譜，從而得到待研究體系的各種電化學(xué)信息。

與傳統(tǒng)研究方法相比，電化學(xué)阻抗譜法具有對(duì)樣品干擾小、測(cè)量結(jié)果數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單、控制步驟較易區(qū)分、便于開展腐蝕機(jī)理和規(guī)律研究等特點(diǎn)。隨著EIS 技術(shù)的不斷成熟，國(guó)內(nèi)外的研究人員通過該技術(shù)進(jìn)行了多個(gè)方面的研究。

葛紅花等人采用電化學(xué)阻抗法探究冷卻水中硫離子對(duì)316L 不銹鋼耐蝕性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著硫離子濃度的提高，其電極的阻抗值減小，因此，硫離子使鈍化膜保護(hù)性下降。

Karel Bouzek，Henry Bergmann 等人采用電化學(xué)阻抗法通過對(duì)14 mol/L NaOH 溶液中純鐵和白口鑄鐵的陽極溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)陽極材料中的碳化鐵會(huì)導(dǎo)致表面氧化層電阻率明顯下降，從而導(dǎo)致保護(hù)性能下降。

歐陽維真采用電化學(xué)阻抗技術(shù)對(duì)帶銹鐵器在模擬海水介質(zhì)中的電化學(xué)行為進(jìn)行研究，得出腐蝕產(chǎn)物的存在進(jìn)一步促進(jìn)了帶銹鐵器在模擬海水介質(zhì)中的腐蝕。同時(shí)，建立了帶銹試樣在模擬海水中的電化學(xué)模型，為以后進(jìn)一步研究其他材質(zhì)的電化學(xué)腐蝕行為和規(guī)律提供了一定的研究思路。

賈靜煥等人通過EIS、動(dòng)電位極化曲線等技術(shù)對(duì)堿性硫化物溶液中316L 不銹鋼的應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行了研究，研究結(jié)果顯示，316L 不銹鋼在堿性硫化物溶液中腐蝕機(jī)理主要為陽極溶解型，雖然表現(xiàn)出了一定的應(yīng)力腐蝕特征，但其敏感性較低，且隨著pH 值的升高而降低。

2.1.2 恒電位極化法

恒電位極化法是通過控制被測(cè)電極的電位，測(cè)得該電位下電流密度隨時(shí)間的變化規(guī)律。采用恒電位極化法可對(duì)可鈍化金屬極化曲線進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量。

Li 與Cheng 采用恒電位極化測(cè)試結(jié)合原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在一定pH 值環(huán)境下，隨著電位的升高，材料表面鈍化膜成分有可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使材料的耐蝕性能發(fā)生變化。

Wang 等人通過對(duì)316L 不銹鋼在不同極化電位下的腐蝕情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著電位的升高，材料的耐蝕性能逐漸下降，雖然不同電位下試樣表面的鈍化膜成分未發(fā)生明顯變化，但鈍化膜中陰陽離子分布以及富集情況發(fā)生了變化。當(dāng)電位較高時(shí)，硫離子含量升高，鉻離子含量降低，導(dǎo)致不銹鋼高電位下耐蝕性能下降。

2.1.3 循環(huán)動(dòng)電位極化法

循環(huán)動(dòng)電位極化是指從電極的自腐蝕電位開始，以一定的電位掃描速度（一般為20 mv/min）對(duì)陽極進(jìn)行極化（即不斷升高電位） 直至陽極電位或電流密度達(dá)到某一指定值，然后，從該點(diǎn)開始逆向極化工作電極（以一定的電位掃描速度不斷降低電位） 至自腐蝕電位，從而獲得電位- 電流密度的關(guān)系曲線。

與動(dòng)電位極化相比，循環(huán)動(dòng)電位極化增加了反向掃描的過程，從而使其可以同時(shí)得到維鈍電流密度、腐蝕電位、點(diǎn)蝕電位、再鈍化電位等參數(shù)信息，根據(jù)這些信息可以對(duì)材料的耐蝕性能進(jìn)行快速的評(píng)價(jià)。但循環(huán)動(dòng)電位極化法通常會(huì)對(duì)材料表面造成損壞，因此，需要較多的實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行檢測(cè)，才能使測(cè)試結(jié)果更加可靠。

王竹等人采用循環(huán)動(dòng)電位極化法對(duì)再鈍化能力不同的不銹鋼進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于鈍化能力較強(qiáng)的不銹鋼（以2205 雙相不銹鋼為例），其循環(huán)動(dòng)電位極化曲線一般無滯后環(huán)出現(xiàn)，而對(duì)于再鈍化能力較差的材料（以316L 不銹鋼為例），當(dāng)回掃電位低于點(diǎn)蝕電位時(shí)，同樣不存在滯后；當(dāng)回掃電位高于點(diǎn)蝕電位時(shí)，將會(huì)有滯后環(huán)產(chǎn)生。

通常來說，循環(huán)動(dòng)電位極化曲線上的滯后環(huán)是材料發(fā)生局部腐蝕的標(biāo)志。當(dāng)回歸電位高于點(diǎn)蝕電位時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生點(diǎn)蝕的點(diǎn)蝕坑不能及時(shí)再鈍化，從而造成回歸掃描時(shí)電流高于正向掃描時(shí)的電流，在循環(huán)動(dòng)電位曲線上就表現(xiàn)為滯后環(huán)。

Wang 等人采用循環(huán)動(dòng)電位極化法研究了在堿性溶液中pH 值對(duì)316L 不銹鋼的電化學(xué)行為和鈍化膜成分的影響，發(fā)現(xiàn)從點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為析氧反應(yīng)（OER） 的臨界pH 值=12.5。結(jié)合X 射線光電子能譜分析，發(fā)現(xiàn)在奧氏體不銹鋼中添加Mo，可能無法增強(qiáng)316L 不銹鋼在強(qiáng)堿性溶液中的耐蝕性。

2.1.4 腐蝕電位法

腐蝕電位是金屬本身的一個(gè)重要的熱力學(xué)參數(shù)，通過繪制工作電極與參比電極在開路情況下電位隨時(shí)間變化曲線，可以得到對(duì)應(yīng)材料的腐蝕電位。

在電位與pH 值關(guān)系圖中，通過分析腐蝕電位的位置，可以確定金屬的腐蝕傾向、鈍化或腐蝕產(chǎn)物膜的成分情況等。

相對(duì)于其他電化學(xué)測(cè)試方法來說，腐蝕電位法不會(huì)對(duì)材料造成損傷，可以用來進(jìn)行長(zhǎng)期的無損檢測(cè)。

2.2 樣貌觀察法

樣貌觀察法主要包括直接觀察法、金相觀察法、掃描電鏡法等。

2.2.1 直接觀察法

進(jìn)行腐蝕研究的第一步就是觀察腐蝕的宏觀樣貌，通過對(duì)腐蝕情況的直接觀察，可以確定腐蝕發(fā)生的集中位置、腐蝕的基本類型、腐蝕產(chǎn)物的樣貌，通過這些宏觀現(xiàn)象，可以為之后的檢測(cè)確定初步方向。

Farhad Daneshvar- Fatah 等人通過觀察鍋爐管內(nèi)表面腐蝕樣貌，并結(jié)合其他方法確定了水線處蒸發(fā)導(dǎo)致堿性增強(qiáng)，導(dǎo)致了管線的腐蝕。

直接觀察法僅僅是進(jìn)行初步的觀察，較為籠統(tǒng)和粗糙。

2.2.2 金相觀察法

金相觀察法是指將腐蝕材料進(jìn)行磨拋預(yù)處理后，在金相顯微鏡上進(jìn)行材料的相和組織組成物、晶粒、非金屬夾雜物、材料缺陷、裂紋形態(tài)、腐蝕樣貌等觀察，從而判斷出腐蝕類型的方法。

金相觀察法具有方便、快速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，金相顯微鏡系統(tǒng)可以與計(jì)算機(jī)直接連接，方便了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與分析。

王博、李德超等人綜合利用金相觀察法研究了304L 奧氏體不銹鋼制造的硝酸重沸器在生產(chǎn)環(huán)境下的腐蝕形態(tài)，發(fā)現(xiàn)晶界與晶內(nèi)在腐蝕電解質(zhì)溶液中的電位差導(dǎo)致了非敏化態(tài)晶間腐蝕的發(fā)生。

金相顯微鏡的觀察系統(tǒng)為普通光學(xué)顯微鏡，放大倍數(shù)有限，因此，只能進(jìn)行試樣表面樣貌的初步分析對(duì)比，若進(jìn)行更為精確的觀察，則需進(jìn)行掃描電鏡觀察。

2.2.3 掃描電鏡法

掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM） 是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的觀察手段，其放大倍數(shù)可達(dá)到30 萬倍，并且連續(xù)可調(diào)。SEM 還可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像質(zhì)量，使所得到的圖像更加清晰。由于SEM 試樣制備簡(jiǎn)單、分辨率高、放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，SEM 方法在腐蝕樣貌觀察方面得到了廣泛的應(yīng)用。

R. Cabrera- Sierra 等人采用掃描電鏡法對(duì)1018碳鋼在堿性酸性環(huán)境中的表面狀態(tài)進(jìn)行表征，確定并分析了兩階段產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)。

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

材料腐蝕是金屬材料在腐蝕介質(zhì)的作用下，通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境中的介質(zhì)生成化合物的結(jié)果，因此，對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，是確定腐蝕機(jī)理不可或缺的一環(huán)。腐蝕產(chǎn)物分析主要包括電子能譜分析和X 射線衍射分析等。

2.3.1 電子能譜分析

電子能譜分析是通過電子束或單色光源照射樣品，使樣品表面元素受激發(fā)產(chǎn)生俄歇電子，通過將俄歇電子能譜與標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜進(jìn)行對(duì)比，即可較為準(zhǔn)確地分析出測(cè)試樣品所含元素的種類與含量。

陳彩霞等人采用電子能譜分析技術(shù)對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物組成與堿腐蝕一致。

電子能譜分析可以對(duì)氫和氦之外的所有元素進(jìn)行分析，并且分析過程中不會(huì)對(duì)試樣造成破壞。

與其他分析方法相比，電子能譜分析屬于高靈敏度超微量表面分析，分析過程僅需0.001μg 樣品，絕對(duì)靈敏度可以達(dá)到10-18，但其解析深度僅有2 nm，若要對(duì)樣品深處進(jìn)行分析，還需進(jìn)一步進(jìn)行處理。

2.3.2 X 射線衍射分析

X 射線衍射（X- ray diffraction，XRD） 技術(shù)是采用X 射線對(duì)樣品進(jìn)行照射，根據(jù)射線在樣品內(nèi)部的衍射效應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)分析的一種技術(shù)。X 射線衍射技術(shù)可以對(duì)樣品的內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，確定樣品的物相組成及含量，但檢測(cè)時(shí)對(duì)檢測(cè)樣品的形狀、大小、表面粗糙度均有一定的要求，需對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，較為復(fù)雜。

宋迎劍采用X 射線衍射儀對(duì)換熱管外表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，確定產(chǎn)物主要成分為FeS、S 和FeO(OH)。

3 腐蝕防護(hù)方法

換熱器作為整個(gè)煤化工企業(yè)的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，在整個(gè)生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用，換熱器一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)導(dǎo)致工廠停工，還會(huì)造成人員傷亡。在工業(yè)應(yīng)用中，可采取多種措施來減緩腐蝕。

3.1 對(duì)循環(huán)水進(jìn)行預(yù)處理

循環(huán)冷卻水的水質(zhì)直接關(guān)系到換熱器循環(huán)水一側(cè)的腐蝕情況，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行沉淀、過濾等操作，去除水中的機(jī)械雜質(zhì)和懸浮物來減少結(jié)垢的發(fā)生。

同時(shí)，還可以在水中加入阻垢緩蝕劑，進(jìn)一步減輕結(jié)垢情況的發(fā)生。在循環(huán)水中加入阻垢劑，已經(jīng)成為循環(huán)水控垢措施中最為經(jīng)濟(jì)有效且應(yīng)用最為普遍的方法。

周艷軍研制的P- 1 型循環(huán)水阻垢緩蝕劑在高堿、高硬水的阻垢緩釋方面取得了較為理想的成果，使循環(huán)水中的[Ca2++ 堿度] 穩(wěn)定在1 020 mg/L ，提高了換熱效果，延長(zhǎng)了換熱器的使用壽命，提高了裝置運(yùn)行負(fù)荷，增加了產(chǎn)量。

3.2 選擇耐腐蝕材料

目前煤化工企業(yè)換熱器所選材料大部分為碳鋼，碳鋼雖成本較低，但其內(nèi)部含有較多的Si、Mn、S、P 等元素，使其耐蝕性較差。而改用含有Cr、Ni 等元素的耐蝕性良好的不銹鋼，可以使換熱器的使用壽命得到大幅度的延長(zhǎng)。

不銹鋼在一般條件下具有良好的耐蝕性能，但在某些較為復(fù)雜、腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境下，仍然難以滿足要求。因此，有色金屬材料以及高性能合金得到了迅速的發(fā)展。如雙相不銹鋼、鎳基合金、鈦及鈦合金、高純鐵素體不銹鋼等均具有很好的耐腐蝕性能。

但這些材料與普通碳鋼相比，成本大大增加了，阻礙了其在煤化工企業(yè)的廣泛應(yīng)用。近幾年，耐蝕非金屬材料也逐步發(fā)展起來，陶瓷、玻璃鋼、耐蝕塑料等新型防腐材料正在開發(fā)過程中。

3.3 使用耐蝕涂料

整體更換換熱器的材料，將會(huì)大大提高換熱器的制造成本，因此，在換熱器內(nèi)部噴涂適當(dāng)?shù)哪透g涂料，可以在控制成本的情況下大大提高設(shè)備的壽命。

耐蝕涂料的防腐原理是通過以較為耐蝕的材料覆蓋在基底材料上，將基底材料與腐蝕介質(zhì)隔離開來，從而提高設(shè)備的使用壽命。

由于使用耐蝕涂料進(jìn)行防腐，只需在設(shè)備腐蝕表面覆蓋薄薄一層，材料用量相對(duì)較少，而且對(duì)基底材料要求很低，具有較高的性價(jià)比，因此，在腐蝕防護(hù)方面應(yīng)用十分廣泛，同時(shí)也擁有很好的發(fā)展前景。

梁婷對(duì)鍍有Ni- P 化學(xué)鍍層的碳鋼在堿性溶液中的耐蝕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)碳鋼表面施加化學(xué)鍍層后在堿性介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性。

新型碳納米材料在腐蝕防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了巨大的發(fā)展，Liu 等人使用3- 氨丙基三乙氧基硅烷分別對(duì)C60 、富勒烯和石墨烯進(jìn)行接枝改性，有效地提升了涂層對(duì)腐蝕介質(zhì)的屏蔽性能。

Zhu 等人將5 nm 大小的碳分子碳點(diǎn)引入聚合物基質(zhì)中，合成PMMA- PU 聚合物復(fù)合材料，該材料具有較強(qiáng)的裂紋自愈能力，并且在自愈的過程中可以吸收水分子，并捕獲介質(zhì)中的氧氣，將其轉(zhuǎn)化為水分子，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的防腐性能。

在設(shè)備內(nèi)部噴涂耐蝕材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)的不同，選擇相對(duì)應(yīng)的耐腐蝕材料進(jìn)行噴涂，可在保證成本的前提下，有效的改善設(shè)備的腐蝕情況，提高設(shè)備壽命。

富勒烯、碳納米管、碳點(diǎn)、碳納米纖維、石墨烯、氧化石墨烯等碳納米粒子，已經(jīng)應(yīng)用于防腐涂層領(lǐng)域，其與涂層基質(zhì)良好的相容性、自潤(rùn)滑性，可以極大地提高涂層的耐腐蝕性能。

但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著填料團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重、添加量過多時(shí)易發(fā)生逆腐蝕、難以形成可控規(guī)則排布等問題。一旦這些問題得到解決，防腐涂層技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

3.4 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

不同的生產(chǎn)工藝對(duì)于設(shè)備的腐蝕情況有著重要的影響，由于設(shè)備的腐蝕受到腐蝕介質(zhì)的溫度、濃度、流速、離子含量等各項(xiàng)因素的影響，因此，在不影響生產(chǎn)的情況下，對(duì)工藝流程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，將極大的改善設(shè)備的腐蝕情況。

通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，將從根本上解決設(shè)備腐蝕的問題，但生產(chǎn)工藝各個(gè)部分互相關(guān)聯(lián)、互相影響，優(yōu)化過程中，既需要對(duì)影響腐蝕的因素有深入的研究，同時(shí)也需要對(duì)生產(chǎn)工藝有充分的了解，這樣才能在不影響生產(chǎn)的情況下對(duì)癥下藥，切中要害。

生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，在生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，避免因操作不當(dāng)而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

3.5 電化學(xué)保護(hù)

電化學(xué)保護(hù)法是通過在需要被保護(hù)的材料上外加電流，使其電位發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)抑制腐蝕的目的。電化學(xué)保護(hù)分為陽極保護(hù)法和陰極保護(hù)法2 種，這2 種方法都是根據(jù)材料自身的E- PH 圖像實(shí)現(xiàn)的。

陽極保護(hù)法是使金屬的電位維持在圖像的鈍化區(qū)間來達(dá)到保護(hù)目的，陰極保護(hù)是使材料保持在材料的不腐區(qū)間。

這2 種方法的實(shí)現(xiàn)途徑有所不同，陽極保護(hù)法是在被保護(hù)金屬表面接入足夠的陽極電流，使其電位向正方向移動(dòng)并維持在鈍化區(qū)內(nèi)，從而防止金屬的腐蝕。

陰極保護(hù)法又可以分為外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保護(hù)。外加電流的陰極保護(hù)是一種主動(dòng)防腐措施，通過外加電源來對(duì)設(shè)備施加一定的陰極電流，將其變?yōu)橐粋€(gè)大陰極，消除由于材料的不同造成的電位差，從而使其得到保護(hù)。犧牲陽極的陰極保護(hù)是利用原電池的原理，將電位較低的材料與被保護(hù)材料相連，被保護(hù)材料作為陰極而得到保護(hù)。

隨著生產(chǎn)工藝的日趨發(fā)展，設(shè)備的腐蝕情況越來越復(fù)雜，單一的腐蝕防護(hù)手段無法對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的防護(hù)，因此，在進(jìn)行設(shè)備防腐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素，采用多種防護(hù)方式共同作用，才能取得有效的防腐成果。

4 結(jié) 語

經(jīng)過對(duì)煤化工企業(yè)換熱器腐蝕情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段換熱器的腐蝕情況仍較為嚴(yán)重，生產(chǎn)過程中有一部分換熱器未得到有效的腐蝕防護(hù)。

存在的問題主要有以下幾個(gè)方面。

（1） 換熱器工作條件復(fù)雜，腐蝕條件存在多樣性。在不同的煤化工企業(yè)，由于生產(chǎn)工藝和當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境不同，設(shè)備的工作條件會(huì)有一定程度的差異，這些差異造成了設(shè)備腐蝕機(jī)理的不同。

（2） 換熱器工作條件的復(fù)雜性，致使造成腐蝕類型的多種多樣。一臺(tái)換熱器的失效可能是多種腐蝕類型共同作用的結(jié)果，但總體上可以根據(jù)換熱器的工作條件分為酸性介質(zhì)和堿性介質(zhì)2 種，以便進(jìn)行系統(tǒng)的分析。在進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，目前，腐蝕機(jī)理的研究方向主要為酸性條件下腐蝕機(jī)理的研究，而堿性條件下的研究相對(duì)較少，例如蒸氨塔上部氨分縮器的腐蝕問題現(xiàn)在仍未得到有效解決。在今后研究中，堿性條件下?lián)Q熱器的腐蝕機(jī)理應(yīng)得到人們的重視。

（3） 各種新型檢測(cè)手段在換熱器腐蝕機(jī)理的分析檢測(cè)中的應(yīng)用日益普遍。掃描電鏡、能譜分析、元素分析等技術(shù)使人們?cè)谂袛喔g類型時(shí)更加準(zhǔn)確迅速。電化學(xué)阻抗法、電位極化法等初步解決了腐蝕機(jī)理的研究問題。但由于換熱器腐蝕的復(fù)雜性，現(xiàn)如今的分析手段難以對(duì)多種條件共同作用下的腐蝕機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的分析，同時(shí)，也難以對(duì)實(shí)際工作條件下?lián)Q熱器的腐蝕過程進(jìn)行模擬。但計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用提供了解決思路，采用計(jì)算機(jī)模擬軟件與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，將進(jìn)一步提高研究的準(zhǔn)確性。

（4） 單一的腐蝕防護(hù)手段對(duì)換熱器的保護(hù)效果很有限，但不同的防腐技術(shù)仍然存在較大的發(fā)展空間，尤其是耐腐蝕材料。因此，在不斷完善耐蝕材料的同時(shí)，積極探索多種防腐措施共同作用的復(fù)合防護(hù)方法，將有望給換熱器的腐蝕防護(hù)帶來新的突破。