换热器管束短期失效分析及对策

陈继程，韩 利，胡宝庆，孟嘉钰

(1.远东页岩炼化有限责任公司，辽宁 抚顺 113001 2.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001)

引 言

换热器是大型压缩机机组中不可缺少的换热装置，它的高效运行是压缩机机组正常运行的必要条件，也是压缩器内工艺气体的温度在安全范围内的保证。在设计范围内，换热器的换热效率和寿命与多种因素密切相关[1-2]。其中，换热管内外介质的组成对换热管束的腐蚀有显著的影响。

某炼化公司一台水煤气压缩机换热器，管内介质为水煤气，管外介质为循环水。换热器壳程温度在30 ℃～120 ℃，管程工作温度在20 ℃～40 ℃，工作压力在0.2 MPa～1.2 MPa。该换热器的换热管管束在短期内(< 6个月)便发生泄漏。导致泄漏的原因很多，本文从多方面分析泄漏的原因。在分析的基础上，对介质的组成、换热管束的清洗以及后续的实时检测提出相应的措施，以保证换热器工作效率及使用寿命。

1 工艺分析

该换热器管束材料为20号钢，管程与壳程内介质分别为水煤气和循环水。管内介质组成及循环水指标如表1和表2所示。

表1 水煤气组成

表2 循环水指标

2 泄漏原因分析

2.1 宏观形貌

取泄漏管束中的一段进行分析，如图1所示。从图1中可以看出，换热管内外部锈蚀严重，有泄漏孔出现。换热管外部有黄色的锈迹，管内部的颜色相对较深，黑色锈迹。此外，还有许多点蚀坑出现。将腐蚀层外侧黄色锈迹除去后发现内侧呈黑色。说明除了在换热管外部有大量的氧化亚铁存在外，其里层已经被深度氧化成氧化铁。

图1 换热管腐蚀形貌

2.2 腐蚀物成分分析

对换热管腐蚀层成分进行分析，具体数据如第155页表3所示。从第155页表4的20号钢中元素的标准含量对比可以看出，腐蚀层中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。这说明腐蚀层具有大量的氧化铁和氧化亚铁存在。与图1中所观测的外观形貌相对应，即，氧化亚铁呈现出黄褐色，氧化铁则呈现出黑色。Si的含量符合20号钢标准的规定；Ca离子以碳酸钙和硅酸钙的形式存在；Mg离子的存在加速管道的结垢；除此以外，大量Cl元素的存在加速了对20号钢材电腐蚀。

表3 腐蚀层能谱分析结果

表4 20号钢元素标准

2.3 金相分析

图2所示为原管管壁和除锈后管壁的金相图。从图2a)中可以看出，20钢管经过冷拔后，基材呈带状，白色的为拉伸的铁素体，拉伸方向沿管子纵向方向；黑色的为珠光体。对比图2b)和图2a)，除锈抛光后的金相组织没有发生改变。由此可以判断，该换热管的基材符合标准，不是造成泄漏的原因。

图2 新管金相图(×100)与除锈后管金相图

通过宏观形貌、微观形貌以及腐蚀层的化学元素分析可知，管束内外表面均发生了腐蚀，且外表面的腐蚀厚度大于内表面的腐蚀厚度，泄漏孔由外表面穿向内表面。主要原因是循环水中存在较高的O含量，Cl、Ca和Mg离子的含量也超标。而在实际生产中，该循环水处理为开放式，水中含有大量的O2存在。换热设备在高温高压下工作，由于换热管与介质的导热系数不一致，因此在换热管附近的介质形成温度梯度，在温度梯度的作用下，溶解的O2被源源不断地带入到管壁，与其接触并作用，这是导致换热管束在短期内就产生严重泄漏的主要原因。此外，循环水中无机盐离子的存在，对换热管起到腐蚀作用。

3 解决方案

由上述分析可知，循环水水质是造成腐蚀的主要原因。腐蚀不仅降低换热效率，而且大大缩短了换热器使用寿命[3]。因此，从两方面对换热器进行处理。首先给换热器除锈，然后对循环水进行处理。

1) 更换和清洗换热管

首先对该换热管束进行整体排查，将泄漏的管进行更换。然后对换热器进行整体化学清洗。在化学清洗前，根据腐蚀的情况确定清洗方案如下：酸洗除锈——预膜形成金属保护膜。此外，对开放式的水处理改用封闭式的处理方式。避免水处理中含氧量的增加。

2) 循环水处理

在给换热器清洗和预膜后，还应该对循环水进行处理。为了节约水资源，根据循环水水质，筛选出适用性强的高效缓蚀阻垢剂添加到其中。目前，水处理采用的有机阻垢剂有膦酸类阻垢剂[4]、羧酸类阻垢剂[5]、膦酸羧酸类阻垢剂等。最常用的阻垢剂是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸盐共聚物组成的复合缓蚀阻垢剂。这些有机酸对金属表面形成的保护膜起到保护作用，同时对循环水中的碳酸钙等均有良好的螯合分散和晶格畸变作用。

3) 循环水日常管理

循环水管理素有“三分药剂，七分管理”之说。在循环水正常运行后，在升温、蒸发和冷却的过程中，水质会发生变化。因此，日常运行主要根据水质变化情况进行及时调整，每天定时分析和上报。

与此同时，还要对容器的腐蚀速度和结垢进行测定。将一定规格的金属挂片安装在循环水出口管线上的引出管中，一个月后取出称重。根据挂片的失重情况，可判断腐蚀速度。根据《工业循环水冷却水处理设计规范》(GN50050-2007)规定，冷热设备碳钢管关闭的腐蚀速度<0.075 mm/a。采用监测换热器法，模拟换热器的操作条件，用饱和蒸汽作介质。运行一个月后取下测算腐蚀率和黏附速率，污垢热阻反映结构情况。要求达到《工业循环水冷却水处理设计规范》(GN50050-2007)规定：换热设备水侧管壁的年污垢热阻<3.44×10-4m2·k/w；水面污垢沉积速率≤ 20 mg/cm2·月。

4 结语

通过上述分析可知，本文中换热管材质合格，造成换热管束短时期失效的主要原因是循环水水质的问题。因此，针对该问题提出了解决方案。首先对腐蚀严重的换热管清洗。其次，对循环水水质进行阻垢缓蚀处理。在正常运行后，分别对换热管的腐蚀和循环水的水质进行监控。保证换热器在设计工况下进行运行的同时，定期进行清洗以使换热器达到高效换热并延长使用寿命。