换热设备的腐蚀与防护

刘云峰

(新疆圣雄氯碱有限公司，新疆 吐鲁番 838000)

安全隐患是埋藏于化工生产过程中的隐形炸弹，通常情况下，它会被抑制，但当正常条件被破坏，安全隐患就会爆发，最终演变成事故。氯碱化工设备作为化工生产常用设备，其腐蚀问题就是可能破坏正常条件的不稳定因素，因此必须重视腐蚀问题并制定控制措施，防止其逐渐发展而导致生产事故的突然爆发。

1 金属腐蚀

金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属界面上发生化学或电化学多相反应，使金属转入氧化(离子)状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事件。金属的腐蚀现象非常普遍，如铁制品生锈(Fe2O3·xH2O)，铝制品表面出现白斑(Al2O3)，铜制品表面产生铜绿[Cu2(OH)2CO3]等。

金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。金属腐蚀的途径一般有两种：化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。电化学腐蚀是金属材料(合金或不纯的金属)与电解质溶液接触 , 通过电极反应产生的腐蚀。大多数的金属腐蚀都属于后者，构成金属腐蚀的条件主要是电解质溶液中存在电位差；在腐蚀电池的阴、阳极之间，要有连续传递电子的回路。金属腐蚀有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、晶间腐蚀、均匀腐蚀、磨粒腐蚀等。

2 影响换热设备腐蚀的因素

2.1 循环水水质

循环水主要包含浊度、pH值、总铁、总硬度、浓缩倍数等指标，新疆圣雄氯碱有限公司(以下简称“新疆圣雄氯碱”)对循环水进行了严格控制，浊度<20 mg/L、pH值7～9.3、总铁质量浓度<1 mg/L、总硬度≤1 100 mg/L、氯离子质量浓度≤700 mg/L等。指标往往能够正确反映换热器使用状况，但并不能真实反映特殊情况下对换热设备的影响。

(1)浊度粒径为1 nm～1 μm，也就是通常所说的胶体物质。浊度主要由循环水冷却时带入，另外是管道及设备上剥离的杂质。新疆圣雄氯碱所处地域在春、夏、秋季节时多风，更易将沙尘带入循环水系统，再进入换热设备，沉积在换热管束、封头内壁，长此以往，积垢形成，不但影响换热效率，还会形成垢下腐蚀。

(2)pH值如果低于7，循环水偏酸性，在长期运行下会不断对设备内表面钝化层进行瓦解腐蚀，腐蚀层会出现两种发展方向：一种是腐蚀层被冲刷，继续腐蚀设备内壁；另一种是溶液浓度上升，个别区域形成点蚀，点蚀会将垢下腐蚀发展渗透到设备内壁更深处，外面就会形成明显的垢瘤，去除垢瘤，会看到凹凸不平的腐蚀后的坑洼，严重时腐蚀穿透，介质互串或泄漏到外面，导致危险的产生。

(3)氯离子含量超标会破坏金属或合金表面的钝化膜，引起金属的点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀。天然水中普遍存在的腐蚀阴离子，有极高的极性促进腐蚀反应，又有很强的穿透性，穿透金属表面的保护膜，造成缝隙腐蚀和孔蚀，特别是奥氏体不锈钢造成腐蚀开裂，危险很大。内应力及氯离子的催化作用，先是缝隙、点蚀、沟槽，然后开裂，因为在缝隙、污垢、内应力高、水流速度低的地方氯离子浓度高，溶液富集处的腐蚀就会不断牺牲铁单质而形成氯化铁等氧化物。

2.2 换热管材质

换热管材质一般有20#钢、304不锈钢、镍、钛、TP2磷脱氧铜等，这里重点讨论20#钢。20#钢是氯碱化工最常见的换热管材料，主要优势是成本低、换热效率高；缺点是易腐蚀，例如与氯离子产生反应等。如果换热管是非正规厂家生产，未按照文献[1]进行冷拔热处理、超声波探伤检测等，就不能发现换热管中的缺陷。这些缺陷将在使用过程中成为被腐蚀薄弱点，运行一段时间将会造成腐蚀，腐蚀介质甚至会通过薄弱点泄漏。

2.3 焊接质量

一台设备的连接有铸造成型、支模浇筑成型、法兰连接、焊接等形式，常见氯碱换热设备是通过焊接将换热管与壳程、管板进行组对成型，焊接质量就成为极其重要的因素；另外，焊接电流也会影响整体焊接质量。

3 氯碱化工换热设备防腐措施

3.1 循环水水质管控措施

(1)针对循环水浊度偏高、时有波动的问题，新疆圣雄氯碱采取源头治理和末端预防相结合的措施，解决了循环水源浊度高的问题。源头治理的措施包括：在循环水冷却塔与循环水池之间安装逆向百叶窗，通过百叶窗降低因风沙大而刮入的尘土；在循环水泵进口安装大孔过滤网，对较大杂物进行过滤；每隔3年对循环水池底部的泥沙进行清理；每月定期注入新水对旧水进行置换(须考虑所处地点水源获取的难易程度及成本)。对于末端预防，在此举例说明。2020年拆检时发现1台循环水换热设备列管积垢严重，通过分析该换热设备操控情况，发现是循环水阀门开度控制太小，甚至停用，导致泥沙沉积在换热器列管表面，管壳产生垢下腐蚀，所形成的浓溶液加剧了设备内壁的电化学腐蚀。管控措施是：将该换热设备的循环水阀门开度调至最大，提高循环水通量及流速，及时冲散泥沙，效果良好。

(2)水质pH值管理方面，通过定期检测，添加助剂中和酸度，使pH值始终维持在指标段位。

(3)对氯离子的防腐措施。由于循环水中须加入次氯酸钠溶液以降低循环水中的COD、BOD，这又会增加氯离子的含量。对此，通过控制循环水中次氯酸钠的加入量，定期定量加入缓蚀阻垢药剂(化学方法除去氯离子)，并采用新水置换等措施确保氯离子含量在要求范围。

(4)循环水水质检测。在加强水质监控方面，定期取样分析，做趋势图，察看数据变化情况；同时，采取换热器、重点设备挂片观测等监测措施。在定期检查清理换热设备时，通过分析并积累垢样的变化情况及其对换热材质的腐蚀数据，及时找到真正原因并采取改善措施。

3.2 焊接质量

在换热管材质及焊接方面，首先选择合格的换热管，换热管必须符合文献[1]的要求(利用光谱仪抽测换热管质量)。焊接前对焊接部位进行彻底清理，尤其杂物、水分、氧化层、油污等，确保焊接质量，同时对焊条进行保温至少4 h；焊接全程采用氩弧焊，能有效降低飞溅；焊接完毕后，严格进行打压试漏。还应采取非常有效的末端预防技术，对换热流体侧定期涂刷酚醛改性环氧树脂涂层，利用其良好的耐腐蚀性能，阻隔循环水对换热管内表面的腐蚀。该措施能有效保护换热管束不被腐蚀，通常使用周期达3～5年。

4 结语

通过对氯碱化工循环水换热设备的腐蚀原理进行分析，得出水质、焊接质量、操作影响等均会对换热设备带来不同程度腐蚀的结论，同时提出了针对性的防腐措施。