氯乙烯生产装置中循环冷却水对换热器的腐蚀及防护措施

杨重杰 李鑫

摘 要：我公司冷却水介质主要已循环水为主，本文着重对循环水的水质检测、预测及设备的防护、泄漏原因进行分析。

关键词：循环水;腐蚀;泄漏;防护

1 氯乙烯生产装置换热器运行概况

在实际运行过程中，发现材质为碳钢的管束，管束和管板连接处腐蚀严重，有的地方已经形成腐蚀坑，甚至腐蚀穿透，腐蚀物为棕红色，穿孔方向由管内向管外发展，大多数管束与管板连接方式采用焊接或胀焊结合，此连接方式存在不足，管束与管孔之间存缝隙，焊接过程中产生热应力，而且缝隙中聚集大量氯根又处于贫氧状态，极易发生缝隙腐蚀和应力腐蚀，操作不当和水流挡板的脱落行成水击现象造成管束震动行成剪切力，轻微磨损管壁，严重时切断列管造成换热器发生泄漏，每年装置大检修时更换换热器管束，补焊管板及清洗换热器列管占据重要部分。

2 循环冷却水现状

氯乙烯生产装置中的循环冷却水主要由动力车间间冷开式输送系统输送，经过5台循环水冷却风机塔冷却至15.50～30℃，通过3台循环水泵将冷却水增压至0.5～ 0.65MPa，以每小时16000～20000m3/h水流量送至各车间，我公司位于托克逊县属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，年均风速8m/s素有“风库”之称，循环水冷却系统为开式循环水冷却系统，固体颗粒及灰尘夹渣到风中带到冷却水循环系统内，且部分换热器在20m～30m的高处放置，行成压降导致设备内部流速过低造成污垢堵塞列管。我公司开式循环水冷却系统主要给6大车间，大约给35台换热器换热降温，随着循环水不断的循环利用，各车间换热设备内部走的换热介质各不相同，设备轻微泄漏都会导致水质的变化，又由于设备材质结构的不同、设备放置位置高低不同，造成水流速不同等影响换热效率，循环冷却水中溶解各种离子和氧气，其中氯离子和氧浓度的变化，水质的pH值变化，都能造成设备使用寿命的降低，实时监测循环水水质参数变化，成为防止换热器泄漏的一种重要手段。

3 垢下腐蚀

我公司建设在托克逊县鱼儿沟，属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，年均风速8m/s素有“风库”之称，常年刮风导致循环冷却水较脏，本文着重分析垢下腐蚀对设备造成的损伤，经取样分析换热器列管内的锈垢层的沉淀物主要分为三大类，第一类为腐蚀产物，如Fe2O3、Fe2O4、FeOOH、FeCO3、FeS等，第二类产物为无机盐垢CaCO3、CaSO4、BaSO4等还存在一些泥沙、粘土、腐殖物等悬杂物，第三类为微生物的粘液，主要由细菌、藻类等微生物以及它们分布的粘液混合在一起，行成的凝胶状团块沉淀物。通常产生的垢下腐蚀形态为锈瘤状，剥离垢层后会发现，金属表面已严重受到腐蚀、形成蚀坑，随着腐蚀的不断侵蚀，腐蚀坑不断得深入，直至穿孔。垢下腐蚀与垢层组成和分布形态有关，金属表面形成不连续的垢层将会产生垢下腐蚀，即使形成连续性的垢层，也有可能产生严重的垢下腐蚀。如果金属表面垢层是连续致密的，可能抑制金属的腐蚀。但是许多的垢层是多孔不均匀的，垢层自身也可能成为阴极促进腐蚀反应，因此垢下腐蚀可能是全面腐蚀也可能是局部腐蚀。金属表面覆盖锈垢后，形成相对闭塞的环境，垢下腐蚀坑处于闭塞状态，腐蚀坑与外界物质交换形成很大阻碍，产生内外介质的電化学的不均匀性，因此随着腐蚀反应的进行，垢层下形成贫氧区，将于垢层外部本体部分形成宏观的氧浓差电池，通常腐蚀垢层具有阴离子选择性，垢层氧离子难以扩散到外部，随着Fe2+的积累，造成正电荷过剩，促使Cl-迁入以保持平衡，金属氯化物的水解使垢层下环境酸化，进一步加速腐蚀。

4 换热器的失效

管箱体内部泄漏：管板与折流板连接不紧密，管束、管板与管箱盖板之间密封泄漏，隔板与壳体焊接处焊接缺陷泄漏;管板与管束连接处泄漏：常用的换热器管束和管板连接形式主要有三种方式胀接、焊接、胀接和焊接结合。在实际运行过程中发现，先胀接后焊接存在的缺陷最大，由于前期胀接过程中留下的油污，不可能在焊接前全部处理干净，造成焊接时此处残留的油污迅速汽化造成焊缝缺陷，由于焊接、胀接存在应力，很容易在管板胀接、焊接处发生裂痕;管束的震动：换热器的流体流速一般较高，由于流体的脉冲和流动都会造成换热器列管的震动，尤其是在开车过程中的提量、提压操作较快时，很容易引起换热器列管的震动，特别是隔板处，管子震动频率较高，容易磨管壁，严重时能剪切断。

大多数的冷却器水侧走管程，因水中含大量的钙、镁离子和碳酸盐，当其流经传热金属表面是发生如下反应：

Mg2++2HCO3→Mg（OH）↓+2CO2

Ca2++2H2CO3→H2O+CO2+CaCO3↓

我公司主要对水中加入聚合磷酸盐作为缓蚀剂，当加入磷酸盐时存在以下反应：

3Ca2+2PO2-→Ca（PO4）2↓

溶解在冷却水中的氧还能总成金属腐蚀，行成铁锈，反应如下：

2Fe2-+2H2O→Fe（OH）2↓

反应的结果是在传热面上逐渐结垢，同时伴有铁锈的生成，水垢的存在易造成换热列管内部产生垢下腐蚀，使管壁内表面氧化膜缺氧而破坏，水对金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，腐蚀电池阴极反应主要是氧气的还原，阳极的反应主要是铁的阳极溶解。

2Fe+2H2O+O2→2Fe（OH）2↓

腐蚀时生成氢氧化亚铁从溶液沉淀出来，这种亚铁化合物在含氧的水中是及其不稳定的，它将进一步氧化生成氢氧化铁。

2Fe（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3↓（锈）

在实际生产过程中垢层和铁锈层是同时产生的，金属表面结的锈层与垢层叫锈垢层。在水与铁接触的表面上，有一层附着在骑上的不流动的薄水层，流速增大，则水层变得更薄。通过该水层水中的氧的扩散和补给就更容易，因而促进锈蚀。但是在一定的范围内，流速在增加，氧的供应量继续增加，则铁的表面会出现氧气过剩，造成腐蚀速率趋于钝化，反而使锈蚀速率降低。流速持续增加水流就会发生絮流现象，造成汽蚀。

5 防止措施

我公司针对循环水水质管理，严格执行《GB/T50050工业循环冷却水处理设计规范》中对间冷开式系统循环冷却水水质指标的管理要求，建立2台在线水质分析仪，实时监测水质变化，并以质检中心每两天一次的水质取样分析数据相辅，重点监控水质变化，当水质参数出现异常时加大取样分析频次，查找水质波动原因制定专项措施，并加相对应的药剂进行辅助调节。

放置位置较高的换热器循环冷却水压降损伤严重，水流速较慢污垢堵塞列管严重，换热效果较差，且检修清洗频繁有时无法满足生产所需，对于压降高的地方新增全凝蒸发式空气冷却器进行将温，投用后效果极佳，检修频次大大降低，检修及设备维修所产生的费用降低20%。

严格管理塔池出口滤网，防止杂物及填料堵塞水冷器，建议在循环水泵进口处加装两台过滤器，一开一备定期清理，根据换热介质气相进出口温度数据的变化，制定罗列出年度装置检修需高压水射流清洗的换热器清单，待装置检修时进行物理清洗。

积极推广换热器防腐技术，一是涂层防腐，即利用涂料把介质与换热器基本隔离，中断其化学与电化学腐蚀途径，二是镀层防腐，即利用电镀或化学镀工艺在换热器基体表面沉淀一层致密的耐腐蚀金属或合金来抵抗介质的腐蚀。三是电化学保护，即改变组成设备金属的电极电位而不被其腐蚀。四是渗层保护，即利用热处理的方法将合金元素扩散到金属表面，使之合金化。五是换热器本身选择耐腐蚀材料。六是采用热喷涂技术。七是设立专职人员管理，建立水冷设备档案，每次大修组织相关人员对水冷器的腐蚀、结垢、粘泥等状况检查记录和存档，并借助公司HAZOP小组成员力量进行组织分析。

6 结语

通过对换热器比较系统全面的失效分析，找出延长换热器使用寿命的方法，为换热器创造更好的运行条件，减少故障率，为装置的安、稳、长周期运行打下基础，实现设备全生命周期管理。

参考文献：

[1]顾天杰.换热器泄漏原因分析及对策[J].河北化工，2010 （33）.