阳极保护管壳式浓硫酸冷却器原理及常见故障的解决方法

陆 珊，马志坚，贺桃香

(中国盐业总公司湖南株洲化工集团有限责任公司，湖南 株洲412004)

阳极保护管壳式浓硫酸冷却器原理及常见故障的解决方法

陆 珊，马志坚，贺桃香

(中国盐业总公司湖南株洲化工集团有限责任公司，湖南 株洲412004)

介绍了阳极保护管壳式不锈钢浓硫酸冷却器原理，分析了常见故障产生的原因并提出解决办法。

阳极保护；浓硫酸；冷却器；故障；解决方法

用于各类制酸装置的干吸工段浓硫酸冷却的阳极保护管壳式不锈钢浓硫酸冷却器(以下简称酸冷器)是20世纪80年代初期首先由国外引进的，国外主要供应商有加拿大的凯米克公司和美国的孟山都公司。国内设备制造厂家于20世纪80年代初期开始试制酸冷器，80年代中期开始在各类制酸装置中采用。该设备的应用对国内硫酸行业的技术发展起到了积极的作用，成为铸铁排管的替代产品。由于其使用寿命长、占地面积小、热效率高、无污染、日常维护费用低、节水效果明显等优点已成为浓硫酸冷却的首选产品。目前，随着该设备的大规模使用，国内供货商在酸冷器的设计、制造技术已越来越成熟，用户在使用中也积累了很多的经验，目前国产酸冷器最长使用时间已超过 10年。但有些设备未达到设计寿命就损坏了，其原因有很多，主要是国内供货商在技术上的某些差异以及有些使用厂家对酸冷器的使用方法掌握不够。酸冷器在使用中有故障发生时，如能及时正确的处理可以很快恢复使用，处理不当会影响正常生产甚至使设备报废。笔者根据多年从事酸冷器工作的经验，对酸冷器本体常见故障的解决方法与同行进行探讨。

1 金属阳极保护原理

当某种金属浸入电解质溶液时，金属表面与溶液之间就会建立起一个电位，腐蚀电化学中把这个电位称为自然腐蚀电位。不同的金属在一定溶液中的电位是不一样的。而同一种金属的电位由于其各部分之间存在着电化学中不均一性而造成不同的部位间产生一定电位差值，正是这种电位差值导致了金属在电解质溶液中的电化学腐蚀。

向浸在电解质溶液中的金属施加直流电，金属的自然腐蚀电位会发生变化，这个现象称为极化。所通电流为正电流时，金属作为阳极其电位向正方向变化的过程称作阳极极化；反之，通过的电流为负电流时，金属作为阳极其电位向负方向变化的过程称为阴极极化。把电位与电流密度之间对应的关系画成曲线叫做极化曲线。具有钝性倾向的金属在进行阳极极化时，如果电流达到足够的数值，在金属表面上能够生成一层具有很高耐蚀性能的钝化膜而使电流减少，金属表面呈钝态。继续施较小的电流就可以维持这种钝化状态，钝态金属表面溶解量很小从而防止了金属的腐蚀，这就是阳极保护的基本原理。图1为典型的钝性金属阳极保护曲线，曲线中表现出4个特性区域。

图1 金属阳极保护曲线

a. 活化区(曲线中AB段)

施加阳极电流时，金属表面发生如下反应：Fe→Fe2++2e，此区处于活性溶解状态，且电位越正，电流密度越大，电流密度的大小反应出腐蚀的快慢。当电流密度超过峰值点后，电流急剧下降，这个峰值点对应称为致钝电流密度，对应的电位称为致钝电位。

b. 活化——钝化区(BC段)

金属处于由活化状态向钝化状态的突变过程中，金属开始钝化，电流急剧下降，在金属表面可能生成二价到三价的不稳定氧化物。

c. 稳定钝化区(CD段)

不锈钢中金属元素发生氧化反应，生成高价氧化物(膜)，这种氧化物溶解量很小，即腐蚀速率很低，这正是阳极保护所需要的电位控制区，对应的电流密度称为维钝电流密度。

d. 过钝化区(DF段)

当电位高于稳定钝化区，电流又出现增大现象，钝化膜转化成可溶性的氧化物而遭受破坏，金属腐蚀重新加剧，这区域称为过钝化保护区。阳极保护酸冷器的工作原理是把与硫酸接触的全部表面作为阳极，另外设置一根或几根阴极，形成电流回路。向冷却器施加一定的电流，使其产生阳极极化，通过致钝电位，然后进入稳定钝化区并维持其电位在这个区域，依靠在钝化区新形成的钝化膜降低冷却器在硫酸中的腐蚀。

3 阳极保护管壳式浓硫酸冷却器的基本情况

由阳极保护原理可知，能够钝化的金属在某些电解质溶液中，如果通以一定的阳极电流，就会发生阳极极化，使电位往正方移动，当阳极电流达到足够的数值时，则在金属的表面上能够生成一层具有很高耐蚀性能的钝化膜，金属即由活态转为钝态。如果继续给予较小的电流密度，就能维持这一钝态，从而防止了金属的腐蚀。阳极保护管壳式不锈钢浓硫酸冷却器就是基于以上基本原理设计制造的。酸冷器由控制仪器——恒电位仪和管壳式换热器本体构成。

国内目前使用的酸冷器都采用酸走壳程水走管程的固定管板式结构，换热管通过折流板固定。

换热管的材质为316L，壳体、管板、折流板的材质各供应商采用的有所不同，有304、304L、316L等。水箱部分根据各厂工艺条件设计为单管程或双管程。换热管尺寸有几种规格：Φ19.05×1.65、Φ19.05×1.5、Φ16×1.5，换热管在管板上一般按正三角形排列。

4 阳极保护管壳式浓硫酸冷却器常见故障

根据笔者的工作经验，阳极保护管壳式浓硫酸冷却器的故障主要有2类：一是换热管内壁结垢或杂物堵塞；二是酸冷器泄漏。

5 阳极保护管壳式浓硫酸冷却器故障的判断及解决方法

5.1 换热管内壁结垢或杂物堵塞问题

当酸冷器运行时出现换热效率下降，酸冷器出口酸温明显提高， 冷却水流动不畅等现象时说明酸冷器内已有结垢，如果不及时处理，结垢和堵塞会逐渐加重，使换热管内的流道不断缩小，严重时会出现部分或全部换热管被坚硬的垢层堵死。结垢对酸冷器的安全运行、使用寿命影响很大，结垢严重时，会使换热器的管壁温度上升，壳程所需的阳极保护电流加大，加快主阴极的消耗，阴极寿命缩短；另一方面，有可能在管内发生垢下腐蚀，在垢下水中的Cl-不断浓缩，而Cl-对不锈钢的危害是致命的，严重的会发生由管内表面腐蚀穿孔而使酸冷器发生泄露。

要正确及时处理就必须了解其产生的原因，对症下药。

⑴酸冷器的结垢

结垢是指在不锈钢管内表面与不清洁流体相接触而逐渐积聚起来的固态物质。根据污垢层沉积的机理，污垢可分为颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢和凝固污垢。酸冷器的结垢主要有结晶污垢和生物污垢，结晶结垢在管内会形成的有碳酸垢、硫酸垢和二氧化硅结垢层；生物污垢指微生物污垢，会产生粘泥，粘泥又为生物污垢的繁殖提供了条件，在适宜的温度条件下，生物污垢会生成一定厚度的污垢层。由于管壁温度偏高、水中钙镁离子浓度偏高及管内水流速度偏低时，水垢就会形成。

⑵ 水垢的清除方法

水垢的清除有两种方法，即物理方法和化学方法，国内目前的物理清洗主要用高压水冲洗，但由于其需要专用设备，清洗费用较高，不太适合硫酸厂使用。但如有15d停车检修的机会,往往采用小型高压清洗机进行冲洗。化学的方法主要有不停车清洗和停车化学清洗两种。专用的“运行阻垢除垢剂”能在不停车下有效清除水垢并阻止水垢的形成。停车检修时可采用酸洗的方法清除水垢，对于酸冷器宜采用硝酸酸洗技术。由于酸冷器采用不锈钢材质，Cl-会在奥氏体不锈钢表面产生孔蚀，因此严格禁止用 HCl清洗；H2SO4会与水中的 Ca2+、Mg2+形成极难溶解的CaSO4和MgSO4，也不推荐采用硫酸清洗。硝酸清洗原料易得，专用的酸洗缓蚀剂技术成熟，费用不高。对于结垢较薄的垢层可通过清洗液循环的方法在几个小时内清除管内的水垢；管内壁结垢如超过 1mm时属重度结垢，可以采用浸泡加循环复合清洗技术,清洗的时间也需相应加长。

⑶ 藻类堵塞的处理

藻类堵塞换热管一般发生在南方地区，尤其在夏季气温高时，经玻璃钢冷却塔冷却的循环水温高于30℃时，适合各种藻类繁殖。在水池内壁会出现绿色黏附物，有时它的繁殖速度很快，如果不及时处理，藻类会黏附在换热器的水箱，使流道冷却水量变小，降低酸冷器的换热效率。目前已有酸冷器专用的“杀菌灭藻剂”，可以在几天内很快清除各种藻类，成本低廉。

⑷ 冷却水的处理

有的制酸装置的冷却水采用直排的江河水，随着季节的变化，水中的固体悬浮物有时会堵塞换热管，理想的处理方法有：一是在进水口加装简易的过滤装置，二是在水进入酸冷器前先经过简易水槽沉淀后再进入酸冷器。

5.2 酸冷器泄漏问题

酸冷器泄漏主要原因有:

⑴原材料的冶金缺陷：如换热管有细微夹渣、微裂纹、焊管焊缝不合格等，因此原材料的选用、检验显得特别重要。带有冶金缺陷的酸冷器在运行一段时间后会在这些薄弱处出现问题。

⑵酸冷器制造缺陷：如换热管与管板的焊接时焊缝“咬肉”、有夹渣，在检验时又没有发现或处理不规范等都会引起泄漏。

⑶操作条件与设计参数不符：如循环酸量增大使酸侧流速超过1.2m/s时，钝化膜很难维持，换热管腐蚀速率将成倍增加，设备容易损坏。

⑷工艺条件变化后没有及时调整操作参数，如酸温超过设计值、冷却水进酸冷器温度偏高等。

⑸装置开、停车未按操作规程严格执行，如高温硫酸直接进入未经预钝化的酸冷器，运行时冷却水未开等原因都会使设备缩短寿命甚至损坏。

5.3 酸冷器泄漏的检查和修复

酸冷器泄漏比较容易发现。当酸侧压力大于水侧压力时(一般使用现场为泵后流程)，硫酸用pH试纸就可检查，日常操作中应定期进行水侧pH值的测试，尤其在刚开车期间可安排每班测试，当水侧压力大于酸侧压力时(一般使用现场为泵前流程)，冷却水会由泄漏处进入硫酸中，泄漏点大时硫酸温度会明显升高、酸浓下降。此时由于泄漏处的管表面始终处于活化状态，需要大电流来极化。

酸冷器泄漏的修复方法与普通的管壳式换热器方式基本相同，一般应急的维修方法是从两侧管板处堵管。堵管的操作应首先放空酸冷器中的硫酸，再用大量的清水冲洗管板，焊接处不能有残余酸，堵管的材料应采用 316L的堵头，焊条采用316L。泄漏管四周附近的换热管也应堵焊一部分，焊接完成后，开启酸泵使酸循环观察焊接处是否有渗漏，如有渗漏，应重复以上的操作程序，直至全部消除泄漏。一般的酸冷器均有10%左右的设计富裕量，堵管较少的设备换热面积损失不大，现场使用不会产生大的影响。对于堵管较多的酸冷器建议在大修期送到原供货商处进行必要的检测和换管处理。

6 总结

阳极保护酸冷器作为目前常用的硫酸冷却设备，具有其他硫酸冷却设备无法比拟的优点，操作弹性大，只要了解其特点，注意在日常的操作中严格按操作规程操作，加强监测，是完全可以避免故障发生的。如果出现故障后处理及时、方法得当就可以很快恢复生产，将损失降到最低。

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Anodic Protected Shell-and-concentrated Sulfuric Acid Coolers Principle and Common Faults Solution

LU Shan, MA Zhi-jian, HE Tao-xiang
(China Salt Industry Corporation, Hunan Zhuzhou Chemical Industry Group Co., Ltd., Zhuzhou 412004，China)

TQ 051.5

B

1671-9905(2010)09-0048-04

陆珊，女，高级工程师，1984年毕业于中南大学材料系，现任中国盐业总公司株洲化工集团设计院院长，联系方式lushan_1@163.com，Tel：13973322800

2010-04-23