船用板式换热器防腐与改进

2018-04-18朱旭

现代工业经济和信息化 2018年2期

朱　旭

（海军装备部，山西　太原　030027）

引言

板式换热器是由一组冲压成特定纹路的金属板片叠装成的热交换器。船舶换热器大部分会利用海水作为低温端冷却介质，而板式换热器具有结构紧凑、传热效率高、维修方便和使用寿命长等优点。因此目前船用冷却器大量采用了板式换热器来为船舶动力、电力等装置提供水、滑油或蒸汽的冷却。而海水腐蚀性较强，板式换热器在长期使用中存在腐蚀泄漏的可能性，所以分析改进其耐腐蚀性能，对提高设备可靠性及降低设备维修保养成本具有重要意义。

1　船用板式换热器常用结构及材料介绍

1.1　板式换热器常见结构组成

板式换热器主要结构组成为换热板片、密封垫片、前后压板、上下导杆、支架和过滤网等，各主要零部件作用如下介绍。

1）传热板片：传热板片是换热器中起到隔离不同介质并进行换热作用的重要元件，由板材经模具冲压为有特定波纹、密封槽和角孔的金属板片。换热板片叠装后，换热的两种介质经角孔通过相邻的板片，波纹起到提高湍流程度的作用，从而进行高效率地换热。

2）密封垫片：板式换热器密封垫片粘贴在板片周边的密封槽内，叠装后用以封闭板片空间，防止介质泄漏，使换热的两种介质依照各自设计规定的通道交叉流动。

3）前后压板：前后压板主要用于压紧中间叠装的传热板片和密封垫片，保证板片间在压力作用下与密封胶条贴紧，流体介质不泄漏。

4）上下导杆：上下导杆主要是起固定、支撑前后压板及换热板片的作用，使其便于组装与拆检。上下导杆一般采用工字钢和不锈钢导轨组装而成，板片挂装在工字钢的上横梁上，工字钢的前端与前压板固定连接在一起，工字钢的后端与支架固定连接在一起。

5）支架：支架与上下导杆连接，起支撑作用。

6）过滤网：过滤网成圆筒状，上有密布排列的细孔，套装于板片角孔组成的海水进水口内，防止海水内大颗粒杂质堵塞换热器。过滤网一端与海水进水管路相接，另一端使用法兰盖在后压紧板上进行密封固定。

1.2　部分零部件常用材料成分

与海水接触容易发生腐蚀的零部件常用材料如下：

1）传热板片：传热板片的材质，根据换热介质和换热性能要求等因素选择，船用换热器板片通常选用防腐性较好的不锈钢、钛或哈氏合金等材料。其中钛板适用海水、盐化物等多种流体介质，抗氯离子腐蚀能力强，更适宜船用。

2）密封垫片：根据不同介质采用不同材质，有丁腈橡胶、三元乙丙橡胶和氟橡胶等，船用换热器使用海水冷却时通常选用丁腈橡胶。使用腈类橡胶作为密封垫片，难以产生腐蚀或劣化现象，能长期确保良好的密封性能。

3）过滤网及法兰盖：过滤网通常采用不锈钢制作而成，法兰盖通常选用碳钢、不锈钢或合金钢。

2　船用板式换热器腐蚀分析

金属材料的腐蚀指金属与周边环境接触下发生的状态改变。海水中含有大量无机盐、泥沙、微生物，氯离子含量高，溶有氧气，导电性较强，所以金属暴露在海水中较易腐蚀。金属腐蚀发生后，最终可能会引发换热效率降低、换热介质泄漏等降低换热器使用寿命的情况。根据船用板式换热器所处环境，可以从物理腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀方面探究。

2.1　物理腐蚀方面

板式换热器中长期在海水等介质流动，海水中的泥沙等颗粒杂质会不断与换热板片等金属零部件发生摩擦而破坏表面，海水流通也会使金属发生细微形变。在冲刷和海水成分作用下，金属表面容易被破坏，并与未破坏表面构成阴、阳极,阳极处的金属成为离子而溶解，并形成电流流向阴极，加速腐蚀金属表面，加上冲刷时力的作用，腐蚀处可能逐渐磨损形成裂缝。

2.2　电化学腐蚀方面

电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学反应引起的。电势较低的部位易失去电子而氧化腐蚀，从而构成阳极，电子输送至还原电解质溶液中的被还原物质，电势高的阴极因电子传递而减缓腐蚀。在板式换热器中，零部件在使用普通碳钢，如法兰盖等，直接接触强电解质海水无疑会发生严重腐蚀。

不锈钢是铬镍合金，耐腐蚀性较强，但当使用普通不锈钢时，通过调查发现，不锈钢点腐蚀和缝隙腐蚀情况较为明显。而这原因是不锈钢耐腐蚀主要依靠钝化膜的隔离防腐，表面的钝化膜由内层铬的氧化物阻挡对腐蚀性离子，而外层以铁的氧化物和氢氧化物为主。海水中氯离子等对钝化膜有腐蚀作用，造成不锈钢材料表面形成的钝化膜变得更疏松，形成细小的原电池，因此被侵蚀。

2.3　微生物腐蚀方面

微生物腐蚀指的是受到微生物影响而促进金属状态改变。海洋中存在大量微生物，当其附着在金属表面时，铁氧化菌、硫酸盐还原菌及藻类等微生物代谢产生的有机物、无机物、酸碱度变化和溶解氧浓度等因素会影响电化学反应速率，加速各类金属腐蚀。

3　板式换热器防腐改进建议

防腐改进可以从材料选用、结构设计等方面考虑。

3.1　材料选用

合理选用耐腐蚀材料最为直接且可减少保养次数。316L等型不锈钢的铬、镍成分含量较高，具有较好的耐腐蚀性能，但长期在海水环境中点蚀和缝隙腐蚀较为严重。奥氏体-铁素体型双相不锈钢因为含提高不锈钢耐海水腐蚀最有效的元素钼、氮较高，而具有优秀的耐孔蚀性能，可选用作为换热板片或过滤网材质，适用于防腐要求不高的环境下或节约成本时使用。目前板片使用最多的是工业钛板TA1，金属强度高且在海水中具有明显的抗应力腐蚀和生物污堵的能力，但是成本较高，换热板片可采用此材质。

在材料表面使用防腐蚀涂层也是经济有效的方式之一。通过合理的涂覆方法，使金属表面上覆盖所需的耐腐蚀涂料保护层，隔离易腐蚀金属与海水等介质，甚至可以起到减少微生物附着的作用。

3.2　结构设计

考虑到物理腐蚀，首先板式换热器在设计时应在考虑换热效率的同时合理设计进出介质的流速。流速过大会增加海水等对换热板片等的冲蚀强度，且增大流体流动阻力，流速过小则使微生物容易附着于换热器内部且易结垢。其次可对一些碳钢类的零部件设计以牺牲阳极的方式进行防腐，增加防腐锌块、铁块等结构。也可以改进设计，例如过滤网安装法兰盖改进前：过滤网一端法兰盖为碳钢法兰，长时间使用后过滤网会将粘结的橡胶密封垫片冲磨损刷掉，造成法兰密封面与海水直接接触，就会被腐蚀破坏泄漏，影响换热器的正常使用（见图1）。改进后：在过滤器盲板法兰密封面处增加钛制防腐垫板，防腐垫板将海水和盲板法兰隔开，避免了法兰盖被过滤网磨损造成海水腐蚀（见图2）。