不锈钢板式换热器失效原因及提高使用寿命方法探究

孙树强，王维革

（1.吉林燃料乙醇有限责任公司，吉林 吉林 132001；2.吉林烟草工业有限责任公司，吉林 延吉 133000）

导致换热器失效的因素分为外部因素和内部因素，外部因素包括相邻波纹板内热交换流体的离子成分，板式换热器内热交换流体的工作温度，内部因素包括焊接的接口浸泡在热交换流体中对焊缝顶端和热影响区变化以及不锈钢本身材质问题。下面分别从两方面进行分析。

1 不锈钢板式换热器失效的外部原因

1.1 热交换流体离子对换热器的腐蚀

以换热器热交换流体是水为例，工业用水和未经软化的地下水常常被用作换热器的冷却流体，然而，水中存在很多离子，这些离子会与不锈钢中的铁成分有反应，尤其是氯离子与铁离子的反应，导致板片表面出现腐蚀现象是最常见的。

同时，在工业生产中，也会使用中性溶剂去进行板与板之间的热量交换流体，然而，中性溶剂中也会包含酸性的成分（油酸），这些酸性成分也造成了换热器的腐蚀，换热器的板片出现腐蚀时，板片厚度变薄，热交换流体中夹杂腐蚀后残渣，影响热交换的效率；腐蚀严重时，会导致板壁穿洞，冷热流体互相渗透，导致热量交换不出去，增加了设备运行成本。由此可见，在工业生产中选择耐酸、耐腐蚀的材料作为换热器板片，是很有必要的。

1.2 焊缝接口处热交换流体温度对换热器换热的影响

换热器板片某些部位需要焊接工艺进行连接，在一项实验中，将焊接完好的焊接样品放入以三氯化铁为溶质的溶液中浸泡，在常温条件下，焊件的焊缝顶端表面和远离焊缝顶部的热影响区表面会在8 分钟内产生腐蚀浅坑，这些腐蚀部分会伴随气泡而表面凹陷形成一个个的小浅坑，而距离焊缝很远的部分未出现气泡和浅坑。随着溶液温度的升高，在温度达到80℃时，焊缝顶端出现了很深的穿孔，热影响区也出现了数量众多的腐蚀坑，深度较之前的浅坑有了更明显的变化。由此可见，焊缝接口处的热交换流体温度也会对焊接区域造成影响，影响腐蚀坑的深度和数量。

在进一步的实验中，分析电解抛光对焊接接口表面金属的影响，将焊接样品分为两部分，一部分进行电解抛光操作，一部分不做电解抛光操作，然后，再将焊接样品置入以三氯化铁为溶质的溶液中浸泡，比较焊缝顶端和热影响区的腐蚀程度。

电解抛光的工作原理是将需要电解的导电样品连接直流电源的正极，将耐电解的导电样品连接直流电源负极，将两个样品置入电解液中，电解一段时间后，连接正极的样品上面的疏松薄膜会被溶解，达到表面抛光效果。

2 不锈钢板式换热器失效的内部原因

不锈钢板式换热器失效的内部原因涉及构成不锈钢的合金元素含量变化，如果板材内部铬含量偏低、钛含量偏低会使板材呈现出易腐蚀的特点。不锈钢中钼元素含量偏高，会使板材的耐腐蚀能力增强；在板材中加入铜元素和镍元素，可以提高板材在酸性环境中的耐腐蚀能力。由此可见，在板材中加入合适比例的铜元素，钼元素，镍元素可以大大提高板材的耐腐蚀能力，减少板材表面腐蚀坑的出现。

3 提高使用寿命的方法措施

（1）降低热交换流体中酸性离子浓度。为了降低酸性离子浓度，可以采用电解法，电解出热交换流体中含氯化合物，降低氯离子浓度。在电解后的热交换流体中加入一定比例含量的碱（氨水），加入的碱可以用来进一步控制热交换流体的氯离子浓度，同时，中和流体中的其他离子，调整热交换流体的pH 值，减缓板材的腐蚀程度。

（2）控制板式换热器的工作温度。不锈钢板式换热器中存在很多焊接结构，热交换流体的工作温度会影响焊接部位的内部腐蚀坑变化。在常温条件下，焊接部位的焊缝顶部表面和远离焊缝顶部的热影响区表面会在短时间内产生腐蚀浅坑，随着温度进一步升高，焊缝顶端和热影响区的腐蚀坑数量逐渐增多，并且，腐蚀坑的深度逐渐增加。由此可见，温度的升高会加速焊接部位的腐蚀出现。所以，控制温度可以在一定程度上控制金属焊接部位腐蚀快慢。

（3）选择更加耐腐蚀的不锈钢合金材料作为换热器板材。奥氏体不锈钢是一种富含铬、钼、镍的合金不锈钢。此类合金不锈钢有一个重要的特点，那就是奥氏体不锈钢在焊接完成后，焊接区域受到腐蚀后产生的腐蚀坑很少。钛元素对腐蚀也可以起到减缓作用，如果资金条件允许，可以选择钛材作为板式换热器的材料，这样可以大大地降低板式换热器的腐蚀。

（4）改变换热器板片的焊接方式。与传统的双缝焊比较后，我们可以选择激光单焊缝焊接方式焊接波纹板，这种焊接方式的优点是焊接速度快，接口处不易开焊，受到腐蚀时，热影响区的范围减小，腐蚀坑的数量也相应减少。

（5）增加板片与板片之间的接触触点的数量。触点数量的增加意味着更多湍流区域在相邻波纹薄板中出现，在这些湍流区域中，会出现高速的湍流扰动，工质扰动越强烈，板片的刚度就会越强，增加板片的刚度也是提高板片使用寿命的一种方法；湍流扰动越强烈，冷热流体交换热量越多，设备的换热效率越高。

（6）对焊件采用电解抛光处理和钝化处理。对焊接板片表面采用电解抛光，电解出疏松的表面氧化膜，然后，将电解抛光后的焊件放入硝酸溶液中进行钝化处理，使得焊件表面形成一种更加致密的氧化膜，这层氧化膜减缓了里层的金属与热交换流体的氧化反应的进行，提高了板片的使用寿命。

（7）使用硬度小的液态工质作为热量交换流体。以工业中最常见的热量交换工质-工业用水为例，如果工业用水的硬度过高，就会造成板式换热器表面结水垢，这样的危害是增大阻垢系数，降低冷热流体换热效率。为了解决这一问题，可以对水进行软化处理，安装软水器，使用树脂软化工业用水，吸附水中的钙镁离子，降低工业用水的出水硬度，使水质的硬度达到使用要求，阻止波纹薄板表面水垢的形成，提高换热器的使用寿命。

（8）用惰性气体对不锈钢板式换热器进行定期保养。在运行一段时间后，对换热器设备进行停工保养，可以向板片间充入惰性气体，对换热器进行风干处理，之后进行密封处理。这样做可以减少空气中氧气与波纹板表面接触，降低腐蚀危害。在开工前，也可以用稀碱溶液冲洗表面，减少酸性物质的残留。

4 结语

通过分析不锈钢板式换热器腐蚀的内部因素和外部因素，找到了提高板式换热器使用寿命的方法，根据对内部因素的分析，我们可以采取以下措施：

（1）更换为钛材质的板片可以减小腐蚀，但是，更换材质的成本较高。

（2）可以选择向原先不锈钢材质的材料中加入钼、钛、铬等元素提高材料的抗腐蚀能力。

（3）由于奥氏体不锈钢在焊接后产生的腐蚀坑数量极少，所以，可以选择此类不锈钢材料作为换热器材料。

根据对外部因素的分析，我们可以采用以下措施：

采用电解法降低热交换流体中的氯离子浓度，减缓腐蚀。

控制板式换热器中的冷热流体工作温度可以在一定程度上控制住腐蚀快慢。

可以选择激光单焊缝焊接方式焊接换热器波纹板，这样可以缩小热影响区的范围，减小腐蚀坑的出现。

增加板片与板片之间的接触触点的数量，可以提高板片的刚度和热量交换的湍流强度，提高热交换效率。

对焊件采用电解抛光处理和钝化处理也可以降低腐蚀。

对工业用水进行软化处理，可以降低板材表面结垢的危害，提高换热器的使用寿命。

对不锈钢板式换热器进行定期的惰性气体保养，可以提高换热器的使用寿命。