循环水场设备腐蚀分析与对策

张建华，韩彦灵

(中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆 独山子 833600)

中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司老区炼油厂一循装置分为三个循环水系统，有20 座处理量为700 m3/h 的凉水塔、13 台循环水泵、6 座旁滤罐，系统保有水量共计4 000 m3。随着炼油厂南厂区部分装置陆续停工，一循装置热负荷大幅度降低，装置能耗高，系统保有水量大，药剂停留时间长，药剂消耗量大，水处理费用高。二循装置循环水系统有8 座处理量为700 m3/h 和1 座处理量为3 000 m3/h 的凉水塔、6 台循环水泵、5 座旁滤罐，系统保有水量为3 500 m3/h，随着生产装置的改造和新建，装置用水量逐渐增加，装置设计供水量为8 600 m3/h，2013年10 月新建的800 kt/a 汽油加氢装置开工后实际用水量高达9 600 m3/h，装置热负荷高，水温控制难度较大。循环水场设备的腐蚀主要集中在冷却塔内，因冷却塔内的温度、湿度以及充足的溶解氧形成了良好的腐蚀环境，故冷却塔内的设备、管线及构筑物腐蚀较为严重。

1 循环水场腐蚀现状

1.1 配水管腐蚀

循环水场冷却塔内配水管因长期在水汽环境下工作，配水管外壁发生吸氧腐蚀而均匀减薄，管线外壁呈树皮状。配水管内因循环水流速低，微生物、黏泥和腐蚀产物在管线内壁沉积，导致管线内壁发生微生物腐蚀、垢下腐蚀和磨损腐蚀，出现大小不等的麻坑。配水管弯头部位腐蚀尤为严重，部分弯头腐蚀减薄穿孔(见图1)，导致冷却塔布水不均匀，降温效果差［1］。

微生物腐蚀并非是其本身对金属的侵蚀作用，而是微生物生命活动的结果间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响，其关键在于生物膜内及其与金属基体间的相互作用。引起腐蚀的微生物大多数是各种细菌共同作用引起的腐蚀。主要有硫酸盐还原菌(SRB)、铁氧化菌(IOB)、锰氧化菌(MnOB)、硫氧化细菌、铁还原细菌等。

垢下腐蚀也属于缝隙腐蚀，循环冷却水系统中的水垢，主要是碳酸钙垢，其次是磷酸钙垢和硅酸镁垢。在石化装置敞开式循环冷却水系统中，由于水质不稳定、浓缩倍数的增加以及尘土颗粒沉积等往往导致结垢。垢下腐蚀是由于溶解氧在冷却水中的浓度大于垢空隙或垢下溶液中的浓度而形成氧浓差电池所产生的电化学腐蚀。显然，在氧浓度大的水相中碳钢表面为阴极，而垢下碳钢表面为阳极。溶液中氧含量越高，则越易发生垢下腐蚀，出现大小不等的麻坑，严重时向深处发展直至穿孔。

磨损腐蚀是由于腐蚀性流体的机械冲刷和金属表面间的相对运动引起的金属加速破坏和腐蚀，是磨损和腐蚀共同作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀。

图1 冷却塔配水管

1.2 风机检修平台腐蚀

冷却塔钢风机检修平台的腐蚀也较为严重，经现场测定直径为20 mm 的圆钢发生层状剥落后，有的部位直径仅为8～10 mm，见图2。扁钢制的检修平台扁钢腐蚀减薄自动断裂脱落，给风机的检修和维护带来了很大的安全隐患，腐蚀的主要原因也是金属在冷却塔内发生吸氧腐蚀，最终引起金属结构的层状剥落。

图2 风机检修平台腐蚀形貌

1.3 钢筋混凝土腐蚀

冷却塔的钢筋混凝土结构因腐蚀性介质的渗入而使钢筋表面的钝化膜逐渐遭到破坏，加速了钢筋的腐蚀，钢筋体积膨胀致使混凝土保护层则开始剥落，最终使构件丧失承载能力，腐蚀形貌见图3。

图3 钢筋混凝土梁腐蚀形貌

钢筋的锈蚀物一般为Fe(OH)3，Fe(OH)2，Fe3O4·H2O 和Fe2O3等，其体积比原金属体积增大2～4 倍。由于铁锈膨胀，对混凝土保护层产生巨大的辐射压力，其数值可达30 MPa(大于混凝土的抗拉极限强度)使混凝土保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝(俗称顺筋裂缝)。这些裂缝进一步成为腐蚀性介质渗入钢筋的通道，加速了钢筋的腐蚀。等到混凝土表面的裂缝开展到一定程度，混凝土保护层则开始剥落，最终使构件丧失承载能力。

在通常情况下，混凝土空隙中充满了由于水泥水解时产生的氢氧化钙饱和溶液，其pH 值在12 以上。钢筋在高碱度的环境中，表面产生一层以致密的氧化物Fe3O4为主的钝化膜，能阻止钢筋产生体积膨胀的不稳定锈蚀物Fe2O3·nH2O。然而，当pH 值低于10 左右，新钝化膜生成困难，已生成的钝化膜逐渐遭到破坏。环境中的硫酸盐与混凝土(水化产物)发生化学作用，其反应产物体积增大，膨胀作用使混凝土产生微观、宏观开裂或粉化脱落。典型的反应为:

空气中二氧化碳属于酸性气体，可经基础外露面扩散到混凝土空隙中，与其中的水反应产生少量碳酸，碳酸再与水泥水化时溶解在孔隙中的氢氧化钙反应生成碳酸钙和水。

这样，空隙溶液中氢氧化钙不断减少，溶液pH 值不断下降，生成的碳酸钙为微溶的化合物，其饱和溶液pH 值为9，远远小于钢筋保持钝化状态所要求大于11.5 的数值，致使钢筋腐蚀后膨胀引起混凝土破坏［2］。

2 防腐蚀措施及效果评价

2.1 加强水质监测和水质处理

2.1.1 添加缓蚀剂

只要缓蚀剂选用得当，一般都能把腐蚀率控制在允许的范围内，并且还能与阻垢结合起来使用，既达到缓蚀的目的，又达阻垢的目的。车间目前一循装置循环水处理主要采用缓蚀剂和分散剂来防止循环水腐蚀、结垢，水质控制较好，2014 年上半年循环水系统监测管腐蚀速率为0.022 mm/a，黏附速度为4.08 mcm，二循装置循环水处理阻垢缓蚀主要采用有机磷酸酸、磺酸盐共聚物和锌盐，监测管的腐蚀速率为0.017 mm，黏附速度为5.27 mcm，两套装置腐蚀都控制较好。

2.1.2 投加杀菌剂和黏泥剥离剂

日常投加氧化性杀菌剂(次氯酸钠溶液或强氯精)配合投加非氧化性杀菌剂(异噻唑啉酮和KF-160)抑制了循环水系统菌藻繁殖。循环水系统异养菌总数为2 412 个/mL，硫酸盐还原菌为17 个/mL，铁细菌为17 个/mL，都远低于控制指标;投加黏泥剥离剂KF-508 或N90001，使循环水系统金属表面保持干净，抑制黏泥在冷却塔配水管、填料等处黏附、沉积而引起的危害。

2.1.3 提高循环水的pH 值

随着循环水pH 值的增加，水中H+浓度降低，碱性增大，金属腐蚀过程中H+去极化的阴极反应受到抵制，碳钢表面生成氧化膜的倾向增大，循环水对碳钢的腐蚀速度随pH 值的升高而减小，因此提高pH 值可以降低金属腐蚀速率。车间采用碱性水处理自然pH 值法控制水质，pH 值控制指标在8.0～9.0，在此范围内，虽然碳钢的腐蚀速度有所下降，但仍然偏高，且增加了结垢的风险，因此，水质处理除了投加阻垢分散剂和杀菌剂外，还需投加缓蚀剂来进行腐蚀控制。

2.1.4 加强水质监测

车间一是采取水质分析、微生物活动的监测，了解水质处理是否严格按规定的指标运行;二是采取挂片器和监测换热器定期监测腐蚀速率和黏附速率，由设备研究所每月对循环水水质进行分析评估，根据监测结果随时修正水质所出现的弊病，及时调整药剂投加方案。使20 号钢和黄铜的腐蚀速率分别小于等于0.075 mm/a 和0.005 mm/a，黏附速率不大于20 mcm。

2.2 采取新型耐蚀材料

(1)将碳钢配水管更换为玻璃钢配水管，具有耐腐蚀，抗污垢的优点，延长了使用寿命，提高了布水效果。升级后的玻璃配水管和风机检修平台见图4、图5。目前车间两套循环水装置在用的29 座冷却塔有18 座已经陆续更换为玻璃钢配水管，运行效果较好。

图4 升级后的玻璃钢配水管

图5 升级后的风机检修平台

(2)将冷却塔风机检修平台更换为不锈钢框架和玻璃钢格珊组合制作的平台，目前已经完成腐蚀严重的10 座风机平台更换升级工作，为风机日常检维护工作提供了保障。

(3)将冷却塔轴流风机传动轴由碳钢升级为不锈钢材质1Cr18Ni9，延长使用寿命，保证设备安全平稳运行。

(4)冷却塔钢筋混凝土梁防腐蚀，在2011 年停工检修期间对一循装置的三间冷却塔钢筋混凝土框架进行了重新防腐蚀，利用环氧玻璃鳞片涂刷防腐蚀层，优良的附着力和耐久性、耐腐性及抗冲击性能，成膜后屏蔽性强，能有效地阻止腐蚀介质的渗透，达到隔离防锈目的，目前运行良好。

(5)做好工业管道的定点测厚工作，对管道的剩余寿命进行评估，根据腐蚀情况及早制定管线检修方案，保障安全平稳生产。

2.3 工艺流程优化

对一循装置的三系统整合，将现有南线和北线循环水系统合并为工艺循环水系统，将三机房和空压站循环水系统合并为清洁循环水系统，降低系统保有水量，便于水质控制，节约药剂费用，同时对循环水泵重新配置，将原有的13 台循环水泵减少为8台，降低能耗，同时减少机泵维护成本。

［1］杨英杰，段振国.循环水腐蚀性分析及建议［J］.河北化工，2003，31(8):53-55.

［2］林恩亮.钢筋混凝土基础的腐蚀机理及防腐措施［J］.福建建筑，2009(7):44-46.