管板式水冷换热器腐蚀内漏原因分析及控制措施

方大伟

（大庆炼化公司润滑油厂，黑龙江 大庆 163411）

对于管板式换热器管束腐蚀内漏进行原因分析，提出防腐措施及解决内漏方案，确保换热器长周期安全平稳运行。

1 原料水冷器的运行状况概述

酮苯脱蜡装置原料水冷器于1997年安装投产，壳层介质为减二减三线蜡油,操作温度70℃；管层介质为循环水，并且壳层压力随套管结晶机压力在1.6～3.6MPa变化，管板材质为16MnR管束材质为10#钢。2006年7月，对该五流原料水冷器芯子整体更换。2013年装置停工大检修后，5台换热器在一年时间内均发生过管束腐蚀内漏严重影响装置生产现象，下面对酮苯装置原料水冷器腐蚀原因进行分析。

2 管束内漏原因分析

检修过程拆开换热器管箱、小浮头后，发现换热器管束内有较多黏泥、铁锈，尤其芯子上部管束堵塞、腐蚀现象较严重。对换热器清洗后，发现管板表面有较严重的腐蚀，最深处达1mm左右，管束与管板环焊缝处有严重的腐蚀迹象，局部管子端部减薄严重，在检修试压堵管时个别换热器堵管率已超30%，严重影响换热效率，并对换热器芯子做整体更换处理。经分析，原料水冷换热器腐蚀内漏原因如下。

2.1 垢下腐蚀

原料水冷换热器长期投用以来，由于管层循环水流速较低，在管束内壁及管箱浮头处造成结垢和黏泥的沉积，并且在循环水中含有一定量的氯化镁(MgCl2)和氯化钙(CaCl2)时，在沉积物下的氯化镁、氯化钙在循环水与介质换热过程中发生反应形成氢氧化镁和氢氧化钙以及盐酸(HCl)，使pH值下降，对钢材形成酸腐蚀。另外，我厂循环水系统加药剂量根据全公司循环水厂总体平衡的，导致我们第三循环水厂中加入聚合磷酸盐缓蚀剂，该剂与钙离子反应生成氧化亚铁，也就是铁锈，加剧垢下物的聚集，由于长期在高温环境作用下，垢层加厚影响换热效果，如果金属表面有长时间存在坚硬、致密的水垢时，钢材极易发生点腐蚀和溶解氧腐蚀，两种腐蚀交叉引起进一步腐蚀加剧，形成恶性循环。换热设备结垢和腐蚀，给化工生产带来极大的危害。它使得传热效率下降，过水断面减小，水力阻抗增加，动力消耗增多，造成能源的极大浪费。

2.2 磨损腐蚀

原料水冷器壳层介质为减二减三线原料油水冷器直接与原料泵出口相连压力达3.2MPa进入换热器流速过高，高速流体在进入换热器入口处形成涡流，加剧对管束及内壁的冲刷造成涡流磨损腐蚀，特别是在换热器高温介质入口端的40～50mm处的管端腐蚀，这主要是由于流体在死角处产生涡流扰动有关，但一方面，随着腐蚀速率的增大，冲刷涡流磨损也加快。磨损率通常随腐蚀性增强而变大，在耐腐蚀保护膜的生成速度小于冲刷磨损速度则将发生较严重的涡流磨损腐蚀。冲刷涡流扰动也对金属表面已经生成的腐蚀产物的机械冲刷作用使其脱离，同时对新裸露金属表面继续与腐蚀环境继续接触，进而加剧交替侵蚀的综合作用。

2.3 应力及电化学腐蚀

在换热器管束管子与管板多采用胀焊连接并且管子与管板的接口采用强度焊、强度胀因苛刻工况下产生胀力松弛而形成缝隙或应力，缝隙内介质浓度高于壳层侧介质浓度，产生缝隙腐蚀；已胀段和未胀管间过渡区，况且，我厂装置换热器内管束内外压差达到最高时35kg差值（装置每月工艺大化套管时），管子内外壁存在较大拉应力，极易产生应力腐蚀破裂；管子与折流板处产生局部应力集中，加之间隙存在，腐蚀介质浓聚，其结合部位易产生应力腐蚀。这种破坏常常起源于微小的裂纹，然后，深深穿透材料，最后导致泄漏或穿孔。由于它发生在许用应力范围内，而且在使用过程中突然、无征兆地发生，因此，应力腐蚀破坏被认为是极其严重的一种破坏模式。壳体焊缝及热影响区在高温、腐蚀介质环境下，焊接质量不好更易发生腐蚀。壳体与折流板材质的电解电位不同，折流板材质的电位高于壳体，壳侧介质为电解质，壳体内壁因此受电化学腐蚀。管壳层介质中带有一定活性阴离子(Cl－)，它首先被吸附在金属表面某点上，对氧化膜产生破坏作用，在被破坏的局部形成电偶的阳极，而未被破坏的部分就成为阴极，于是，形成钝化—活化腐蚀电池。由于阳极比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，很快就腐蚀成小孔。与此同时，氯离子随着腐蚀电流的流动向小孔迁移，使小孔形成金属氯化物的高浓度溶液。这种溶液可使pH值下降到3，使这种溶液酸化，这种酸性和氯离子加速了金属的阳极溶解，小孔腐蚀深度不断增加，造成设备腐蚀泄漏，应力与电化学腐蚀综合作业下腐蚀会进一步的加剧。应在施工时消除焊接残余应力，防止应力的叠加，降低应力水平，在材料方面考虑采用高合金钢或用其作为防护层，可以降低应力及电化学腐蚀的敏感性。

3 应对腐蚀的措施及解决方案

（1）严格控制减二减三蜡油原料及循环水中氯离子的含量，加强对脱氯效果的检测，避免因脱氯效果下降导致后续物料中氯离子高引起换热器腐蚀加剧。采用脱氯剂可以有效缓解含有HCl的原料或产品造成的腐蚀。采用脱氯剂要注意监测和计算氯容的变化，当脱氯剂的计算氯容接近脱氯剂的穿透氯容时要及时更换脱氯剂，以免脱氯剂失效造成腐蚀。

（2）在经济成本允许条件下，选择耐腐蚀设备材质。虽然采取工艺措施能减轻设备的腐蚀，但并没有从根本上解决问题。设备材质升级也是防腐措施之一，针对上述原因分析，应选择采用耐腐蚀的高镍钢材质来替换原10#钢。

（3）消除残余应力的影响也是防止穿晶型应力腐蚀破裂的有效方法。因此，有效地消除制造加工或其他原因产生的残余应力，与正确选材同等重要。管束在制造时没有消除残余应力，严重影响其使用寿命。采购管束时，要求确认在制造中对换热管束进行热处理以消除残余应力。

（4）在日常生产中，避免工艺操作波动，减少介质涡流湍流的形成，在原料蜡油出口压力上涨时，及时进行大化套管操作以降低壳层压力的上升减小管壳层的压力差，避免因为压差过大压穿腐蚀减薄处的换热管。

（5）加强原料水冷换热器循环水的查水工作要求一个循环班最少查水三次，发现循环水中带蜡应及时切除原料水冷器，避免污染整个循环水系统并及时对换热器进行检修处理，同时，通知给排水车间及时根据水样调整加药剂量和品种，做到科学预防。