循环水运行对换热器腐蚀性研究及对策

杨向阳

摘 要：热交换器是一种将一部分热量从热液体传递到冷液体，然后再传递到热液体的装置，也称为循环热交换器。管式换热器由于技术先进，维护方便，其广泛用于各个行业。由于热交换器在生活的各个领域中越来越普遍，因此其维护能力正在逐年增加，尤其是由于各种物理和化学热交换器会导致各种形式的故障，换热器会因此损坏。根据研究，百分之九十的热交换器损是由于腐蚀的原因，一般的热交换器由金屬材料制备而成，其一般的热换器都是在高温或者高压条件下运行，并与冷，热，酸，碱，气体，液体和物质直接接触并混合。其他用于热交换的流体，这使得腐蚀的现象变得更加的严重。本课题主要研究换热器产生腐蚀的因素、机理、方法，接着对腐蚀后的物质，对其进行取样、分析。进一步研究换热器的原理，给出应对腐蚀的措施，总结出换热器腐蚀的具体解决方案。本文总结出一种Ni-P腐蚀涂层方法，三层复合涂层，阳极保护和有机化学喷涂来控制热交换器的腐蚀。

关键词：循环水;换热器;防腐蚀;有机涂层法;化学法;牺牲阳极法

中图分类号：TE97 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0132-06

Abstract：Heat exchanger is a device that transfers part of heat from hot fluid to cold fluid and then to hot fluid， also known as the circulating heat exchanger. Tubular heat exchangers are widely used in various industries due to their advanced technology and easy maintenance performance. As heat exchangers become more prevalent in all areas of life， their maintenance capabilities are increasing year by year， especially because of different physical and chemical heat exchange factors， which can lead to different forms of heat exchanger damage. According to the report， 90% of the damage to the heat exchanger was caused by corrosion. Heat exchangers are usually made of metal materials， and most work under high temperature and pressure conditions， and are in direct contact with cold， hot， acid， alkali， gas， liquid and substance directly contact and mix. Other fluids used for heat exchange， which makes the corrosion problem very serious. This topic mainly studies the corrosion reasons， mechanisms and methods of heat exchangers， and then samples and analyzes the corroded substances. Further study the principles of heat exchangers， give measures to deal with corrosion， and summarize specific solutions for heat exchanger corrosion. This paper summarizes a Ni-P corrosion coating method， three-layer composite coating， protective anode and injection of organic chemicals are proposed to control the corrosion of heat exchangers.

Key words：circulating water; heat exchanger; anti-corrosion; organic coating method; chemical method; sacrificial anode method

0 引言

热交换器在项目中具有广泛的用途，例如地表空气冷却器，空气加热器，通风项目中使用的风机盘管，制冷项目中使用的风冷蒸发器以及无冻冷却炉[11]等。尽管它们的形状不同，但是它们本质上是用于实现冷液体和热液体之间的热交换。随着经济的发展和生活水平的提高，供暖和通风能耗在建筑能耗中所占的比例不断增加。如何提高采暖通风设备的能效，对于节约建筑物的能耗非常重要。作为通风技术中的常用设备，热交换是节省设备能耗的重要组成部分。

但是，在长期使用热交换器后，会发生腐蚀和结垢问题，这不仅会降低其传热能力，甚至会使整个装置瘫痪[9]。据报道，对热交换器的损坏的90%是由于腐蚀造成的，并且热交换器的腐蚀很普遍。

1 循环水对换热器腐蚀性分析

1.1 循环水

1.1.1 循环水腐蚀机理

循环水对碳钢的腐蚀是一种电化学过程。由于碳钢的结构和环水表面的不平等，这称为电极区域。在其表面上形成许多小腐蚀池，而活性部分成为电极。当其和缓蚀部分成为阴极时，称为阴极区域[10]。在电极区域中，铁被氧化以在水中产生铁离子，从而在碳钢基底上留下两个电子：同时，水中的溶解氧接收两个电子，这些电子从电极区域中的电极流出并还原OH-。反应如下：

如果水中的溶解氧足够，Fe（OH）2会进一步氧化，产生黄色的铁锈Fe203·H2O代替Fe（OH）3;如果水中的氧气不足，Fe（OH）2将被进一步氧化为绿色氧化铁或黑色氧化铁[15]。

1.1.2 循环水形成污垢的原理机制

在循环系统运行期间，各种物质沉积在管道和热交换器上，这些物质统称为沉淀物。 它们主要由水垢和腐蚀性产品，浆料和生物泥组成 ，以上三类统称为杂质。

（1）循环水垢的原理。本文研究一些天然的水溶性物质，比如一些碳酸氢盐、硫酸盐等，一些可溶性碳酸氢盐，例如Ca（HC03）2，Mg（HC03）2，它们不稳定，而且易于分散，会形成碳酸盐[17]。根据此原理，如果将碳酸氢盐含量高的水用作循环水，则水温升高时会发生以下反应：

这些微溶于水的盐很容易在水中达到过饱和并结晶[1]。当循环的流量相对较低或热电偶的表面相对粗糙时，容易在表面上沉淀。此外，当离子浓度超过产品本身的溶液浓度时，硫酸钙，硅酸钙，硅酸镁[2]等会溶于水在堆积过程中，将形成沉淀并导致管道和热交换表面。此存款统称为规模。由于这些鳞片是致密且相对较硬的，因此也称为硬鳞片。

（2）循环水污垢的形成。污垢通常由细颗粒的沙子，灰尘。如果未对原水进行适当的处理，则额外的水浊度太高且太细，将胶体材料添加到循环水中，或者过度腐蚀会增加杂质的形成。当这样的水流过热交换器表面时，由于流速较慢，所以热交换器表面的表面粗糙，并且易于将其安装并附着在表面上而形成污垢。

1.2 热换器

1.2.1 换热器概述

热交换器是一种将冷或热液体的能量传递到液体的科技设备，热交换器被人们广泛地使用。在平时，经常会见到的精炼炉，汽轮机站的表面密封，大型润滑系统的冷却器和太空火箭的油冷却器[5]。其主要任务是确保介质需要一定的温度，这也是提高能源效率的主要手段之一。热交换器可以是特殊的设备，例如，加热器，冷却器和冷凝器。它也可以是该过程中设备的组成部分，例如在丁二烯工厂中添加锅炉。

由于制造水平的限制，起初热交换器的设计只能采取简单的结构，并且其传热面积非常的小， 板式换热器出现于1920年，并用于食品工业。板式换热器代替管式换热器具有优良的传热效果，这种类型的热换器，其逐渐发展成为了不同的类型，不同作用的热换器。在20世纪初期，瑞典首先转向使用了螺旋式的热交换器[7]。英国还用铜及其溶剂和焊料制造了板式热交换器，该板式热交换器用于飞机的热传导。在19世纪40年代后期，瑞典为制浆厂生产了第一个记录和地震开关。在此期间，人们开始考虑使用新材料进行热交换，以解决高腐蚀性介质的热交换问题[8]。

1.2.2 换热器种类

热交换器有3种不同的分类：混合类型，更新类型、隔板类型。

（1）混合式换热器。由于两种液体在混合和热交换后必须及时分离，因此这种类型的热交换适用于气/液热交换。

（2）蓄热式换热器。蓄热式换热器，也称为蓄热式换热器，是一种利用冷和热液体在热交换器中交替（填充）热量的热交换器，

（3）间壁式换热器。分隔加热系统中的冷流体和热流体被固体分隔壁和在分隔壁周围进行热交换的热交换器分隔开，因此它们也称为表面热交换器[18]。 这种类型的热交换器是最常用的， 换热墙通常用于隔墙。根据不同的场合和传热类型，可分为管式和板式换热器。

（4）低温热交换器。管状热交换器由带有热交换壁作为软管的热交器制成，并分为壳管式，套管式，螺旋式，蛇形和收缩式。

（5）列管式换热器。其具有结构坚固，适应性强和适用材料范围广的一系列特点，由于其结构具有一定的特性，它可以是以下类型：①固定管板式换热器;管板上固定热管的结构如图1所示。两种温度不同的流体在管的内部和外部流动，并在分隔壁周围开始热交换的操作[25]。本次热交换器的结构简单，制造更方便，成本低。在传热表面积一定的情况下，外软管和软管之间的横截面非常大。为了提高管道中流体的流速，可以将软管路径分为几个通道。 在进水箱的顶部安装了一个隔板， 液体仅流过管的一半，因此管被分为两个方向（请参见图2）。 如果在两个隔室中都安装了分区，则管道过程可以分为4个过程，6个过程等。②浮头式換热器。如图3所示，另一端板可以在外壳中移动。 未连接到外壳的零件称为浮动头。 使用浮头，您可以拉动浮头中的驱动软管，以使清洁更加容易。 ③U形管式换热器。U型管热交换器的结构如图4所示。

由于热和冷的变化，板上的板束可以膨胀和收缩而不会引起温度差，管中的管通常无需机械手段即可清洗或精制。

当然还有很多种类的热换器，在此不再一一介绍。

1.3 换热器的失效原因分析

工业系统（例如石油，碳，盐和热电厂）中使用的热交换器数量非常多。在制造过程中，由于介质接触隔热软管的复杂性，一般其会有较高的温度，因此会发生破裂和腐蚀[10]。修复和腐蚀一般是联系在一起的，修复不仅仅关系着产品的正常运行，而且这也成为了行业中设备故障的原因之一。

（1）热交换器的腐蚀和磨损。由于石油生产介质通常具有一定的附着力，为防止介质沉降和流平，离心速度必须大于2m/s。高速流体，特别是包含固体细小颗粒和气泡的高速流体，清洁了传热表面，导致高达数十兆帕的局部表面压力，从而导致金属表面疲劳，即使设计无效当将软管拉直或清洗时，在外壳的降落伞上安装了一块切割板，如图5所示。

（2）沉淀物引起的电化学腐蚀。当介质流动不均匀或优选流动时，容易在热交换器管的表面上形成沉淀。由于沉积物不稳定，不均匀，由于断裂内部和外部的氧气差异，会在某些部位会形成裂纹和缝隙[7]。同时，一些腐蚀产物的存在，其通常会使得裂纹内部与裂纹外部的电化学反应不一致，从而导致更多的腐蚀。

（3）换热管水侧腐蚀。一般的热交换器经常使用水作为热交换器，热交换管表面的腐蚀防护效果需要良好的附着力，散热性，高耐水蒸发性。

2 热换器腐蚀解决方案

2.1 Ni-P合金化学法

2.1.1 换热器化学镀工艺流程

以捆绑在一起的管式换热器作为表面柜为例，以获得较低的多孔表面，出色的粘合力和均匀的涂料表面，镀层必须严格遵循以下过程。流程图如6所示：

（1）预制表面处理。检查工件表面质量，例如机械损伤，孔，挤压，水坝等。并及时处理。使用砂轮或文件焊接痕迹，并使用锐角去除过多的油脂和杂物等。

（2）碱洗。通常要在碱液中浸泡6～8h。

（3）酸洗。通常在制备的盐酸溶液中进行1h的间隔，一般洗涤的时间为0.5h。

（4）去污。水洗的目的是去除工件表面上的附着物，以使其不包含在下一工序中。

（5）涂装工艺与管理：①工作条件Ni+浓度：0.09mo1/L，最佳值为0.1mol/L。温度：850～900℃，最佳温度为88℃，超过90℃度会导致金属溶液分解;②在施工过程中应迅速确定转向阶段，并及时进行调整，以保持控制系统中涂料溶液成分均匀。③检查涂料溶液的纯度，Ni-P在工件表面的沉淀速率，并通过摇动和搅拌确保金属溶液的温度均匀。

（6）封条。清洁工件板后，将其置于密封溶液中，密封孔以增加涂层的耐腐蚀性。

（7）涂装后的处理。密封后的工件立即放入干净的水箱中，彻底清洗，干燥和密封。

（8）现场质量控制。检查外观，外观为亮白色或半透明银白色。 目视检查表面是否光滑无裂纹，扭结，分层和剥离错误。用层厚度测量装置测量厚度，并将厚度保持在35～50mm。

2.1.2 镀覆方法

目前，中国的化学冶金热交换主要采用电解镀层和流线型。

（1）热塑性旋钮的内表面和外表面接受水箱的操作。必须准备基本的洗涤槽，酸洗槽和化学槽等，并根据技术工艺来升高和移动热交换器[16]。在物料流动期间，必须垂直旋转柱塞。

（2）用临时头封闭热交换器管束的外表面，以进行水箱清洗和水箱铺设。

（3）换热管的内表面采用血流法，必须在两侧安装一个临时头，以与化学涂料槽，底洗槽，酸洗槽形成循环。涂料溶液被注入到热交换器中以分散并在一定时间后改变流量。根据工艺流程完成，碱洗和化学喷漆后，必须使用氮气排放[20]，如图7所示。

2.2 换热器开发工艺

2.2.1 有机热交换器的一般涂布方法

通常，复合热交换器芯是在工厂内进行表面处理，多层，加热和固化的结构。如图8所示。

根据技术规定，在涂覆前进行表面处理后，对壳侧的表皮进行喷淋，并将该管用于涂覆和喷涂。

2.2.2 实际的涂覆过程

已通过液体测试碳钢热交换器的酸化[23]，中和，磷酸盐处理和干燥，不必在箱上安装热交换器。 取而代之的是，酸性罐，中和罐，磷酸盐罐，水洗罐，泵，阀和热交换器根据流动过程通过管道连接起来，形成一个闭路系统[24]。通过在系统中分配治疗液[19]可以达到治疗目的。也可以先进行喷砂处理，然后进行磷酸盐处理并消除酸化和中和的需要。如图9所示。

2.3 换热器腐蚀防护的其他方法

目前，国内外正在采取以下措施来解决热交换的腐蚀问题：①选择耐腐蚀材料;②采取保护措施;③将碳钢与保护涂层一起使用;④批准冷却水的防腐层;⑤改进设计;⑥增加冷却水的pH值。用于热交换的抛光系统[22]保护过程具有简单的结构。

当发生电化学腐蚀时，在阴极和电极装置之间会形成腐蚀电流[17]。使用电极容量小于腐蚀部位的金属，并且该金属与腐蚀部位接触。

换热器软管与软管叶片之间的进行连接。如图10所示，其是一种使用牺牲极化的减缓腐蚀的结构。

如图10所示，在热交换管上放置一个锌制轴环[14]，并在热交换器的管壳侧附近制作一个锌制轴环。加入软管板的厚度一般，则这种结构的产生的腐蚀效果，其可以维持一年左右，这种有关适当结构的最大管厚度，也可以添加锌管头[21]。受管道的锌头保护的管道金属板的最大厚度与锌环相同。另外，将镁合金添加到热交换器中的快速方法还可以保护管热的腐蚀[17]。如图11所示。

2.4 防腐結果分析

样品管的接触面和内壁，如图12、图13所示。其中，图12是管外壁上的孔，图13是内管的表面。

2. 5 采用措施后的效果

在实际情况中，由于通常没有热交换器，因此我们只能使用以下易于使用的方法：①减少裂解气中的液体量，并优化工艺;②对涂层采用阴极保护的方法;③在对应的物质中加入一定量的有机缓蚀剂，以间接热交换方式将夹套侧封，效果方案如图14所示：在采取了上述措施之后，效果十分明显，并基本达到了预期的效果。

3 总结

在文中，已经检查和分析了裂解装置热交换器的腐蚀条件，并且认为所有化工厂中热交换器的腐蚀的方式比较类似，通过研究发现。热交换器的腐蚀可以分为以下的两种类型：

（1）通过化学反应物的沉淀作用而导致的电化学腐蚀。

（2）通过物质的热应力和应力作用而引起的应力腐蚀。

加热系统的常用腐蚀方法，并添加了以下内容：

（1）使用腐蚀性材料：使用腐蚀性材料，如不锈钢，铝铜等。

（2）在压板上进行Ni-P电镀：热交换器的整体护套形成镍磷金属层和阴极涂层可在蚀刻剂的机械隔离中发挥作用。

（3）三层复合涂层方法：基于镍荧光粉涂层，在一定的镍-磷金属涂层上形成一种特殊的金属化合物的中间层，并使用该中间层将某些有效的有机化合物与镍-磷铝结合在一起，化合物的化合物被合并为一个，三层复合被打断，以达到现象的出现。

（4）有机涂层方法：依据一定的工艺在热交换器的金属表面（冷却水侧），光滑的表面水性树脂涂料可有效保护金属。但是，油漆的保护作用是有限的，在维护过程中很容易脱落。

（5）电化学保护方法： 基本上，大型热交换器使用外部保护装置来防止电源损坏，而小型热交换器通常使用电极保护装置，这可以减慢热交换器的腐蚀。

（6）注入腐蚀抑制剂：腐蚀抑制剂可能会延迟已发生的腐蚀速率。

参考文献

[1]杨三可.碘回收热交换器腐蚀机理研究及设备选型[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2008，37（3）：35-37.

[2]范工业.防止铜合金热交换器腐蚀的技术改进[J].全面腐蚀控制， 2006（05）：58-60.

[3]施雪，张锦红，吴江，等.燃煤电站烟气热交换器腐蚀特性的实验研究[J].华东电力，2013，041（010）：2191-2194.

[4]赵敏，康强利，张万虎，等.蒸馏装置常顶热交换器腐蚀与防护探讨[J].石油化工设备，2016，045（005）：49-54.

[5]丁鸿吉，杜亚飞.主甲醇热交换器腐蚀分析及对策[J].石油化工设备，2011（S2）：83-85.

[6]吕传皎.合成氨变换工序热交换器腐蚀原因分析[J].腐蚀与防护， 2003（02）：33-35.

[7] 张亚明，李美栓，黄伟，等.高压水冷器（E5104）的换热管腐蚀原因分析[J].腐蚀科学与防护技术，2002，14（2）：117-119.

[8]易成，周超.塔顶冷凝器换热管腐蚀原因分析与预防[J].压力容器， 2018，35（02）：49-53.

[9]李辉.尿素装置中压分解器换热管腐蚀泄漏原因分析及对策[D]. 西安：西安石油大学，2016.

[10]Huang， Ching Yuan. Water turbine with water circulation： US 2010.

[11]Tyler Coplen.Stable Isotope Hydrology： Deuterium and Oxygen-18 in the Water Cycle[J]. EOS： Earth & Space Science News， 1982，63（45）：861-862.

[12]Zappa， Marcia. The Water Cycle[J].

[13]Jansen E ，  Veum T . Evidence for two-step deglaciation and its impact on North Atlantic deep-water circulation[J]. Nature， 1990， 343（6259）：612-616.

[14] Cindy E Morris，David C Sands，Boris A Vinatzer，et al.The life history of the plant pathogen Pseudomonas syringae is linked to the water cycle[J].The ISME Journal，2008， 2（3）：321-334.

[15]Yin F L ，  Fung I Y ，  Chu C K . Equilibrium Response of Ocean Deep-Water Circulation to Variations in Ekman Pumping and Deep-Water Sources[J]. Journal of Physical Oceanography， 1992， 22（10）：1129-1157.

[16]BRALOWER，T. J. Low productivity and slow deep-water circulation in mid-Cretaceous oceans[J].geology，1984， 12（10）：614-618.

[17] Kozi Asada.The water-water cycle as alternative photon and electron sinks[J]. Philosophical Transactions of The Royal Society B Biological ences， 2000， 355（1402）：1419-1431.

[18]Beate G. Liepert，Johann Feichter，Ulrike Lohmann，et al.Can aerosols spin down the water cycle in a warmer and moister world？[J].Geophysical Research Letters， 2004， 31（6）：L06207.

[19]Hailong Li，Jiu Jimmy Jiao.Tide-induced seawater-groundwater circulation in a multi-layered coastal leaky aquifer system[J].Journal of Hydrology，2003， 274（1）：211-224.

[20]陈敏建.水循环生态效应与区域生态需水类型[J].水利学报， 2007，38（3）：282-288.

[21]沈冰，黄领梅， 阮本清，等.和田绿洲水循环要素变化特征[J]. 水利學报，2003（5）：78-83.

[22]张光辉，刘少玉，张翠云，等.黑河流域地下水循环演化规律研究[J].中国地质，2004，31（3）：289-293.

[23]冀瑞君，彭苏萍，范立民，等.神府矿区采煤对地下水循环的影响——以窟野河中下游流域为例[J].煤炭学报，2015（04）：224-229.

[24]宋晓猛，占车生，孔凡哲，等.大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展[J].地理学报，2011，066（03）：396-406.

[25]周林飞，许士国，孙万光.基于压力-状态-响应模型的扎龙湿地健康水循环评价研究[J].水科学进展，2008，019（002）：205-213.