管殼式換熱器腐蝕失效分析系統(tǒng)設(shè)計

邱 浩

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

鹽化工行業(yè)中的一個重要流程就是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，這個制備過程需要在換熱器設(shè)備中進(jìn)行[1]。換熱器的類型包括：浮頭式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器以及管殼式換熱器等。其中管殼式換熱器應(yīng)用較為廣泛。管殼式換熱器主要由殼體、傳熱管束、管板、擋板以及管箱等設(shè)備零部件組成。通過管殼式換熱器可以形成一個封閉的制備環(huán)境，保證其中的反應(yīng)更加完全，進(jìn)而提高工作效率。

鹽化工生產(chǎn)過程中會生成大量具有腐蝕性的產(chǎn)物，當(dāng)生成的產(chǎn)物長時間與設(shè)備接觸，就會導(dǎo)致部分工程構(gòu)件發(fā)生腐蝕失效。在工業(yè)生產(chǎn)中使用已經(jīng)腐蝕失效的工程構(gòu)件不僅會影響工作效率，腐蝕產(chǎn)物還極易以雜質(zhì)的形式混合在產(chǎn)物當(dāng)中，從而降低產(chǎn)物的純度[2]。然而管殼式換熱器的腐蝕失效原因多種多樣，在不同的條件下形成的腐蝕類型也不相同，因此需要針對管殼式換熱器上不同的腐蝕類型進(jìn)行具體分析，根據(jù)得到的腐蝕失效分析結(jié)果，制定對應(yīng)的防腐蝕對策，達(dá)到延長工業(yè)中管殼式換熱器使用壽命的最終目的。

為了得到更加精確的換熱器腐蝕失效分析結(jié)果，需要建立腐蝕失效分析系統(tǒng)。傳統(tǒng)的分析系統(tǒng)在腐蝕失效分析過程當(dāng)中只針對腐蝕表面的形態(tài)得出分析結(jié)果，無法得到準(zhǔn)確的腐蝕分析結(jié)果[3]。因此需要對管殼式換熱器腐蝕失效分析系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，主要針對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。

1 硬件設(shè)計

管殼式換熱器腐蝕失效分析優(yōu)化系統(tǒng)中的硬件包括采集設(shè)備、存儲設(shè)備、處理設(shè)備以及輸出設(shè)備。其中采集設(shè)備用來獲取管殼式換熱器的腐蝕初始數(shù)據(jù)，存儲設(shè)備是將分析優(yōu)化系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，而處理數(shù)據(jù)主要依靠軟件程序的控制，執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)，達(dá)到腐蝕失效分析的效果，輸出設(shè)備是將分析優(yōu)化系統(tǒng)得到的分析結(jié)果進(jìn)行輸出，通過系統(tǒng)硬件的設(shè)計形成系統(tǒng)運行的基本支持框架。

1.1 采集設(shè)備

換熱器腐蝕失效分析系統(tǒng)硬件中的采集設(shè)備主要包括：工業(yè)照相機(jī)、傳感器設(shè)備以及輸入設(shè)備功能組成。采用工業(yè)照相機(jī)對管殼式換熱器的腐蝕位置進(jìn)行拍攝，得到最原始的圖像采集信息。通過傳感器將照相機(jī)采集到的信息轉(zhuǎn)換成為模擬的電信號，而輸入設(shè)備就是將轉(zhuǎn)換完成的電信號輸入到PC機(jī)端，PC機(jī)可以利用計算機(jī)語言對攝入的信號進(jìn)行識別與轉(zhuǎn)換。采集設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 采集設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of acquisition equipment

從圖1中可以看出，采集設(shè)備中三個部分的工作模式為協(xié)同工作，采集到原始信息數(shù)據(jù)之后，便可以將其以統(tǒng)一的格式存儲到存儲設(shè)備當(dāng)中，方便系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

1.2 存儲設(shè)備

系統(tǒng)硬件當(dāng)中存儲設(shè)備將采集設(shè)備采集到的信息利用電、磁或光學(xué)等方式的媒體加以存儲。在換熱器腐蝕失效分析系統(tǒng)當(dāng)中，除了運用PC機(jī)自帶的存儲器之外，還需要連接一個外部存儲器，即移動硬盤存儲設(shè)備[4]。移動硬盤可以存儲大容量的數(shù)據(jù)，可以支持系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)據(jù)庫的建立與運作。

1.3 處理設(shè)備

系統(tǒng)的處理設(shè)備就是PC機(jī)的中央處理器，即CPU。CPU設(shè)備在軟件程序的控制下，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的各項功能，依次對原始信息進(jìn)行處理，得到換熱器腐蝕失效分析結(jié)果。

1.4 輸出設(shè)備

原始信息經(jīng)過存儲與處理之后得到腐蝕失效分析，即為系統(tǒng)輸出結(jié)果，將得到的結(jié)果通過輸出設(shè)備進(jìn)行輸出[5]。系統(tǒng)的輸出設(shè)備選擇打印機(jī)和顯示屏兩種，分析結(jié)果通過打印機(jī)得到紙質(zhì)的腐蝕失效分析報告，可以作為參考進(jìn)行防腐方案的制定。而以顯示屏作為輸出設(shè)備，可以在顯示器上直接觀察，方便進(jìn)行傳輸和進(jìn)一步分析。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計完成的前提下，利用C++語言進(jìn)行軟件設(shè)計。使用C++語言實現(xiàn)軟件程序集成代碼的編輯、編譯、連接以及調(diào)試等功能，搭建管殼式換熱器腐蝕時下分析系統(tǒng)的功能模塊，如圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件模塊圖Fig.2 System software module diagram

從圖2可以看出，整個腐蝕失效分析系統(tǒng)主要分為四個功能模塊，分別是信息獲取模塊、失效判定模塊、失效類型分析以及成因推理分析模塊。按照功能模塊的執(zhí)行順序可以逐步得出分析結(jié)果。

2.1 換熱器腐蝕信息獲取模塊

換熱器腐蝕信息獲取模塊分為兩個步驟，首先生成信息采集指令傳輸?shù)讲杉布O(shè)備當(dāng)中，硬件采集設(shè)備得到圖像采集結(jié)果傳輸?shù)絇C端，并進(jìn)行簡單的圖像預(yù)處理，以便進(jìn)行腐蝕失效分析[6]。

2.2 管殼式換熱器失效判定模塊

對獲取的圖像預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行圖像分割處理，將每一個圖像分割單元，每一個分割單元與數(shù)據(jù)庫中的換熱器特征數(shù)據(jù)做比對，并計算兩者之間的圖像相似度。圖像相似度計算方法采取直方圖面積計算方法，需要根據(jù)圖像預(yù)處理結(jié)果，繪制對應(yīng)的直方圖[7]。為了方便計算，兩個灰度概率直方圖的相似度可以通過公式(1)來計算。

(1)

(2)

因此圖像相似度的求解范圍為[0，1]。設(shè)定闕值χ，若求得的相似度結(jié)果大于χ，判定該管殼式換熱器處于腐蝕失效階段，可以進(jìn)行下一步的具體分析，同時標(biāo)注該換熱器的腐蝕失效位置[8]。若圖像相似度求解結(jié)果小于χ，則判定該換熱器處于正常運行狀態(tài)，不需要進(jìn)行進(jìn)一步失效分析。

2.3 腐蝕失效類型分析模塊

按照管殼式換熱器腐蝕失效的一般分析步驟，對其失效形貌、失效模式以及失效機(jī)理進(jìn)行具體分析，得出換熱器的腐蝕失效類型分析結(jié)果。

2.3.1 失效形貌分析

正常運行狀態(tài)的換熱器表面是光滑無蝕孔的，在宏觀觀察下內(nèi)外表面呈光亮狀態(tài)，沒有明顯的腐蝕痕跡，在微觀條件下沒有裂紋的存在。若分析的管殼式換熱器表面有明顯的孔蝕點，且伴隨多條明顯的裂紋，則可判定該換熱器存在腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，換熱器表面的蝕孔達(dá)到3 mm以上，裂紋深度高于1 mm時，判定該換熱器處于腐蝕失效狀態(tài)。

2.3.2 換熱管化學(xué)成分分析

鹽化工行業(yè)中使用的管殼式換熱器，其換熱管材料的主要為鈦材。經(jīng)過工藝產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物的主要化學(xué)成分為：氯、硫、鈣等。因此需要檢測換熱管中是否存在腐蝕產(chǎn)物，若腐蝕產(chǎn)物的主要化學(xué)成分高于安全標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，則判定該換熱器存在腐蝕失效現(xiàn)象。分析系統(tǒng)的化學(xué)成分分析界面如圖3。

圖3 化學(xué)成分分析界面Fig.3 Chemical composition analysis interface

2.3.3 金相分析

腐蝕失效的管殼式換熱器中會分布部分奧氏體組織，并呈現(xiàn)弱磁性。這種金相特征會具有碳化物轉(zhuǎn)變傾向，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生磁性。因此換熱器內(nèi)部的弱磁性可以說明其中混入馬氏體組織，該現(xiàn)象進(jìn)一步說明換熱器存在腐蝕失效的現(xiàn)象。

2.3.4 失效機(jī)理分析

在鹽化工生產(chǎn)過程當(dāng)中，換熱管材料容易開裂形式呈現(xiàn)“臺階狀”分布，形成典型的氫脆失效特征。鹵水中雜質(zhì)與換熱管內(nèi)表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，引入新的腐蝕雜質(zhì)，導(dǎo)致?lián)Q熱器表面的化學(xué)成分發(fā)生變化，進(jìn)而促使換熱器耐蝕性下降，產(chǎn)生氯離子引發(fā)的孔蝕，成為腐蝕失效的開裂源。管殼式換熱器的腐蝕類型對照標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 腐蝕類型對照表Tab.1 Corrosion type comparison table

2.4 腐蝕成因推理分析模塊

換熱器腐蝕失效的成因包括傳熱不均、材料選擇不當(dāng)?shù)?。其中傳熱不均的腐蝕成因推理分析需要考慮換熱器的傳熱模式，另外還需要對換熱器材質(zhì)的硬度等方面進(jìn)行分析，保證腐蝕成因推理分析功能運行的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)測試過程

選用不同類型的腐蝕失效換熱器作為系統(tǒng)測試實驗的實驗對象，設(shè)置系統(tǒng)測試實驗的實驗對象共有100組。在實驗對象當(dāng)中，混入15組無腐蝕失效的換熱器，另外75組實驗對象中，吸氧析氫腐蝕類型、晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕以及應(yīng)力開裂腐蝕類型的實驗對象各15組，電偶腐蝕類型實驗對象10組。通過分析系統(tǒng)對其進(jìn)行分析，要求分析結(jié)果中必須包含腐蝕原因、腐蝕類型、腐蝕程度和腐蝕防治對策四個方面。

經(jīng)過系統(tǒng)的功能測試，得到表2中的結(jié)果。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.2 System test results

4結(jié)束語

通過管殼式換熱器腐蝕失效分析系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，可以準(zhǔn)確地分析出制鹽工業(yè)設(shè)備的運行情況，并依據(jù)系統(tǒng)輸出的分析結(jié)果，制定具有針對性的防腐對策，從而延長制鹽工業(yè)中管殼式換熱器的使用壽命。然而在系統(tǒng)設(shè)計過程中，未考慮該系統(tǒng)實際應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)運行產(chǎn)生的影響，因此在今后的研究過程中，需要對分析系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行提升。