煉油廠水相換熱器碳鋼材料的腐蝕與防護(hù)措施

劉 強(qiáng)

（中國(guó)石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163400）

0 引言

換熱器是石油化工行業(yè)的重要設(shè)備，其運(yùn)行工況對(duì)整套煉油裝置的運(yùn)行效益有直接影響。水相換熱器的工作介質(zhì)為成分復(fù)雜的水溶液，其中含有濃度不等的硫化物氯化物、無(wú)機(jī)鹽等，這些成分長(zhǎng)時(shí)間與金屬材料接觸會(huì)引起腐蝕問(wèn)題。根據(jù)腐蝕形態(tài)的不同，又可以分為點(diǎn)蝕、均勻腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。由于換熱器是在高溫、高壓環(huán)境下運(yùn)行的，出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域可能會(huì)突然破裂，導(dǎo)致設(shè)備損壞、停運(yùn)。因此，做好水相換熱器的日常維護(hù)，采取必要的防腐保護(hù)措施，對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、維護(hù)煉油廠的經(jīng)營(yíng)效益都有積極幫助。

1 水相換熱器碳鋼材料的腐蝕分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)從煉油廠收集了4 種水溶液，分別是電脫鹽切水、脫硫凈化水、循環(huán)水和堿液。另外選擇與水相換熱器組成材料相同的10#碳鋼作為實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)所用儀器包括恒溫水浴鍋、電子天平等，10#碳鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 10#碳鋼的化學(xué)成分 wt%

在使用碳鋼材料制作成24 mm×15 mm×2.0 mm 的試片，并在試片上打出一個(gè)直徑為2 mm 的小孔，用于懸掛、固定。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）使用砂紙打磨準(zhǔn)備好的碳鋼試片，使其表面光亮，然后用干凈紗布擦拭表面雜質(zhì)。

（2）取干凈棉簽蘸取少量丙酮擦拭碳鋼試片，去除表面的油垢，然后用去離子水清洗，用風(fēng)機(jī)吹干后將碳鋼試片放置于電子天平上稱量重量m1。

（3）將碳鋼試片保存到干燥器中，以備使用。

（4）將4 塊碳鋼試片分別置于4 種不同溶液中。

（5）浸泡7 d 后將碳鋼試片取出，置于配制好的清洗液（1.2 g/cm3的鹽酸、三氧化二銻16 g、氯化亞錫30 g）中。

（6）使用一根玻璃棒不斷攪拌，直到觀察到碳鋼試片表面不再有腐蝕物，之后用鑷子將清洗后的碳鋼試片取出。

（7）放入飽和碳酸鈉溶液中繼續(xù)浸泡約5 min，中和表面殘留的酸性清洗液。

（8）最后放到蒸餾水中清洗，并吹干稱量重量m2。

m1-m2即為失重，根據(jù)失重求得腐蝕速率。每種試驗(yàn)進(jìn)行兩次，以平均值作為最終結(jié)果，掛片失重統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 掛片失重結(jié)果

1.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)7 d 的浸泡后，置于脫硫凈化水和電脫鹽切水中的10#碳鋼試片，表面附著大量紅色產(chǎn)物。將試片取出刮去紅色附著物后，可以發(fā)現(xiàn)底部有一層致密的黑色物質(zhì)。循環(huán)水中試片表面也有紅色物質(zhì)，但是厚度較?。粔A液中10#碳鋼試片仍然光亮，僅有少量斑點(diǎn)。

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，10#碳鋼試片在脫硫凈化水和電脫鹽切水中的腐蝕速率較快，分別達(dá)到1.2 mm/a 和1.3 mm/a，屬于我國(guó)金屬耐腐蝕十級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的第八級(jí)（欠耐蝕）。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)可知，以碳鋼為主要材料的水相換熱器，在長(zhǎng)時(shí)間接觸腐蝕介質(zhì)后會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的均勻減薄現(xiàn)象。

2 涂層與犧牲陽(yáng)極聯(lián)合保護(hù)實(shí)驗(yàn)

由于水相換熱器的腐蝕介質(zhì)成分復(fù)雜，加上高溫運(yùn)行環(huán)境會(huì)加快腐蝕進(jìn)程，因此采取單一的防腐蝕措施往往難以達(dá)到理想的效果。聯(lián)合保護(hù)是同時(shí)選用兩種及以上的防腐措施，進(jìn)一步提高對(duì)碳鋼材料的保護(hù)能力，從而達(dá)到減緩腐蝕速率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。本文以“涂層+犧牲陽(yáng)極”聯(lián)合保護(hù)方法為例，開(kāi)展腐蝕實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證該方法對(duì)10#碳鋼的保護(hù)效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所用材料包括4 種不同類型的犧牲陽(yáng)極，分別是Al—Zn—Mg—Ti 型、Al—Zn—In—Cd 型、Zn—Al—Cd 型 和Mg—Zn—Al 型。涂料選擇TH-847 防腐涂料，以環(huán)氧樹脂為基料，同時(shí)按照特定比例加入防銹、防腐材料以及各種導(dǎo)熱顏料、填料，具有耐溫、耐水、防銹、抗?jié)B等良好性能。所用儀器包括DJS-292A 恒電位儀、FT168 多用表等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用10#碳鋼制作工作電機(jī)。用飽和甘汞電極作為參比電極，將碳鋼試片置于腐蝕介質(zhì)中浸泡7 d，分別在0 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h 和168 h，用多用表測(cè)量1 次開(kāi)路電位。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 開(kāi)路電位測(cè)量結(jié)果

開(kāi)路電位測(cè)量結(jié)果能夠?yàn)殛?yáng)極保護(hù)電位的設(shè)定提供一個(gè)參考。在電化學(xué)防腐中，要求犧牲陽(yáng)極保護(hù)電位必須低于開(kāi)路電位，才能正常發(fā)揮保護(hù)效果。本次實(shí)驗(yàn)中，在4 種介質(zhì)中的開(kāi)路電位測(cè)量結(jié)果如圖1 所示。

圖1 10#碳鋼在腐蝕介質(zhì)中開(kāi)路電位隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)圖1 可知，10#碳鋼試片一開(kāi)始的電位較正，但是在介質(zhì)中浸泡1 h 后電位出現(xiàn)明顯的下降，之后電位趨于穩(wěn)定，但是仍然有不同程度的波動(dòng)；浸泡于脫硫凈化水、電脫鹽切水中的碳鋼試片，電位穩(wěn)定分別在-7.33 V、-7.14 V 左右；浸泡于循環(huán)水和堿液中的碳鋼試片，電位分別穩(wěn)定在-6.38 V 和-5.09 V。

2.3.2 犧牲陽(yáng)極的選型

在聯(lián)合保護(hù)中，犧牲陽(yáng)極的選型對(duì)保護(hù)效果也有直接影響。本次實(shí)驗(yàn)中共選擇了4 種類型的陽(yáng)極材料，分別測(cè)量其電化學(xué)性能（表3）。

由表3 可知，本次實(shí)驗(yàn)所選的4 種犧牲陽(yáng)極中，Al—Zn—Mg—Ti 和Al—Zn—In—Cd 都可以滿足電位要求。其中，Zn—Al—Cd 在脫硫凈化水中的電位，與10#碳鋼在該介質(zhì)中的腐蝕電位（-7.33 V）較為接近；而Mg—Zn—Al 的點(diǎn)位過(guò)負(fù)，最高電位達(dá)到了-1.64 V，這種情況下碳鋼材料容易出現(xiàn)氫化反應(yīng)，因此不宜選擇此材料作為犧牲陽(yáng)極。另外，Al—Zn—In—Cd 的電流效率相對(duì)較低，并且在高溫環(huán)境下其化學(xué)性質(zhì)更加活潑，犧牲陽(yáng)極的消耗速度會(huì)加快。綜合來(lái)看，選擇Al—Zn—Mg—Ti 作為犧牲陽(yáng)極，既可以滿足保護(hù)電位的要求又不至于消耗過(guò)快，綜合性能表現(xiàn)更好。

表3 不同類型犧牲陽(yáng)極在不同介質(zhì)中的電化學(xué)性能

2.3.3 涂料的性能

聯(lián)合保護(hù)中所用的涂層材料為TH-847，其以環(huán)氧樹脂作為基料，由于環(huán)氧樹脂分子中包含了較多的活性基團(tuán)，因此在涂刷涂料后可以保證牢牢粘附在碳鋼材料的表面，不容易發(fā)生脫落。同時(shí)，涂料中還加入了防沉淀劑、導(dǎo)熱顏料等多種成分，可以使涂料在高溫環(huán)境下保持較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了該涂料在4 種介質(zhì)下浸泡7 d 的極化曲線（圖2）。

圖2 涂層電極在換熱器腐蝕介質(zhì)中浸泡7 d 后的極化曲線

結(jié)合上圖可知，涂有TH-847 的10#碳鋼試片，在4 種介質(zhì)下浸泡7 d 后的電極腐蝕速度數(shù)量級(jí)均在10-7A/cm3。而未采取保護(hù)措施的10#碳鋼，在4 種介質(zhì)中的腐蝕速度數(shù)量級(jí)為10-5A/cm3。因此，該涂層能對(duì)10#碳鋼起到很好的保護(hù)作用。

2.3.4 聯(lián)合保護(hù)工藝計(jì)算

犧牲陽(yáng)極的壽命計(jì)算公式為：

其中，T、m 表示犧牲陽(yáng)極的有效保護(hù)年限和凈重量；Q 表示陽(yáng)極的最大電容量，Im表示陽(yáng)極平均電流；t 表示年小時(shí)數(shù)，本文取值為8760 h。將各數(shù)值帶入上式后求得T=3.6，即犧牲陽(yáng)極的壽命為3.6 年，可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

水相換熱器的碳鋼構(gòu)件受到介質(zhì)腐蝕影響后會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行工況。本文提出了一種將犧牲陽(yáng)極保護(hù)與涂層保護(hù)相結(jié)合的聯(lián)合防腐措施。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，被保護(hù)的10#碳鋼試片電位明顯降低，電流減小，犧牲陽(yáng)極的預(yù)計(jì)使用壽命可以達(dá)到3.6年，取得了較為理想的防腐保護(hù)效果，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。