PTA装置冷却水中离子浓度变化及其对设备腐蚀的影响

徐澍，崔建航(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)

0 引言

我国是水资源比较匮乏的国家，节约用水是我国大力倡导的环境和资源策略，如何优化水资源利用是社会普遍关注的热点问题。工业用水占城市水资源使用的绝大部分，而工业用水中又有70%左右用于循环冷却[1]。如何提升工业循环冷却水的使用效率具有很大的发展空间。提升循环冷却水的浓缩倍数是节约用水的重要措施和手段，已经在很多工业领域得以实践应用，为节约用水作出了非常大的贡献[2]。但与此同时，提高循环冷却水的浓缩倍数会使得水中包含的离子含量显著提升。离子含量过高会对设备和管道等造成严重腐蚀，缩短设备运行使用寿命。针对该问题，有必要研究循环冷却水中离子含量与其腐蚀性之间的关系，以找到浓缩倍数与节约用水之间的平衡[3]。本文以某PTA装置为例，通过实验方法研究了冷却水中离子浓度与腐蚀的关系。对于节约用水并保障PTA装置的长时间稳定运行具有重要的实践意义。

1 PTA装置冷却水的水质分析

为了提升水资源的利用效率，某PTA装置中使用的冷却水浓缩倍数达到了5.0，导致冷却水中各种离子含量出现了明显升高，对设备造成了一定的腐蚀。为了对该问题进行分析，对PTA装置中使用的冷却水水质进行了分析，所得结果如表1所示。由表中的水质检查结果可以看出，目前PTA冷却水中的离子含量非常高，其总硬超过了1 400 mg/L。特别是氯离子和硫酸根离子含量非常高，分别超过了390 mg/L和644 mg/L。由于PTA装置中很多设备都是金属材质，冷却水中包含的大量氯离子和硫酸根离子会对这些金属材质的设备造成腐蚀。但这种腐蚀速度相对较慢，且主要是对设备内部结构进行腐蚀，因此不容易察觉。基于此，为了防止冷却水中离子浓度过高对PTA装置造成腐蚀，影响设备使用寿命，有必要分析研究冷却水中离子含量与其腐蚀性之间的关联关系，并采取措施来控制腐蚀问题。

表1 冷却水水质检测结果

2 离子浓度变化与腐蚀的关系试验分析

2.1 冷却水离子浓度对腐蚀性的影响

为了分析冷却水中离子浓度对腐蚀性的影响，共开展了4组实验。4组实验冷却水的离子浓度分别为340 mg/L、472 mg/L、616 mg/L和509 mg/L。利用以上4组实验中的冷却水对碳钢和不锈钢分别进行腐蚀并测量腐蚀速率。试验温度控制在50 ℃左右，试验过程中以75 r/min的速度对冷却水进行搅拌。整个试验持续时间为90 h。另外，为了对比冷却水pH值对腐蚀速率的影响，将第3、4组实验的pH值分别调整到8.73和6.40。结果表明，第1组实验对碳钢和不锈钢的腐蚀速率分别为0.055 6 mm/s和0.004 1 mm/s；第2组实验对碳钢和不锈钢的腐蚀速率分别为0.060 2 mm/s和0.004 1 mm/s；第3组实验对碳钢和不锈钢的腐蚀速率分别为0.068 8 mm/s和0.0041 mm/s；第4组实验对碳钢和不锈钢的腐蚀速率分别为0.540 2 mm/s和0.002 6 mm/s。

对比前三组实验结果可以看出，随着冷却水中离子含量的不断增加，对碳钢的腐蚀速率逐渐增大，但是对不锈钢的腐蚀速率基本没有影响。出现这种情况的原因可能是不锈钢本身具有很好的耐腐蚀性，本次试验时间相对较短，导致冷却水中的离子对不锈钢造成的腐蚀不明显。第3组和第4组实验冷却水中的离子浓度相差不大，区别主要是pH值，第4组冷却水的pH值相对更低。对比两组的试验结果可以发现，在低pH值环境下，冷却水离子对碳钢和不锈钢的腐蚀程度相对更低。

2.2 缓蚀阻垢药剂对冷却水离子的腐蚀性影响

为了分析缓蚀阻垢药剂对冷却水腐蚀性的影响情况，共设计了7组实验。其中前6组试验冷却水样品中添加的是缓蚀阻垢药剂，对应的离子浓度分别为 100、200、300、400、500、600 mg/L。第7组试验冷却水样品中添加的是药剂A，对应的离子浓度为200 mg/L。通过前6组试验可以分析相同缓蚀阻垢药剂的情况下，冷却水离子浓度对其腐蚀性的影响。通过对比第2组和第7组试验，可以研究在相同冷却水离子浓度的情况下，不同缓蚀阻垢药剂对其腐蚀性的影响。其他实验条件与上文所述相同，腐蚀对象为普通碳钢。最终发现，7组试验对应的腐蚀率依次为0.015 4、0.021 7、0.022 3、0.023 0、0.025 8、0.026 3、0.061 9 mm/a。

以上实验结果表明，在使用的缓蚀阻垢药剂相同时，随着冷却水中离子浓度的不断增加，其产生的腐蚀效应越来越明显。说明冷却水中的离子浓度与其腐蚀性之间呈正相关关系。对比第2组和第7组实验结果可以看出，在冷却水离子浓度相同时，采用不同的缓蚀阻垢药剂，冷却水的腐蚀性存在很大的差异。出现这种情况的根本原因在于不同的药剂具有不同的化学属性，添加到冷却水中会与冷却水中的各种离子发生不同的化学反应，从而降低离子浓度，减缓离子对钢材表面产生的腐蚀现象。因此，在实践过程中可以充分根据循环冷却水的水质情况添加对应的缓蚀阻垢药剂，以控制冷却水的腐蚀效应，对PTA装置进行保护。

3 冷却水离子的腐蚀机理及其防范措施

3.1 冷却水离子的腐蚀机理

在化工领域经常会出现容器或者设备的腐蚀现象，非常不利于容器或者设备的长时间稳定可靠运行。基于上述试验结果可以看出，与普通碳钢相比较，不锈钢具有更好的耐腐蚀性，因此在化工领域不锈钢的使用场景更多。不锈钢之所以耐腐蚀，主要是因为内部包含有Cr和Ni两种化学元素，这两种元素会在钢材表面形成一层非常致密的保护膜，将钢材基体与外界环境隔开。但是冷却水中包含的离子会阻碍致密氧化膜的形成，甚至会对已经形成的氧化膜造成破坏，使致密氧化膜失去保护作用，刚才基体最终出现腐蚀现象。特别是冷却水中包含的氯离子，会与各种金属元素发生化学反应，生成盐酸，导致冷却水的pH值降低，整体上呈现出酸性，从而加速腐蚀效应。

3.2 防腐蚀措施分析

基于以上分析可以看出，PTA装置循环冷却水中包含的各种离子会对装置、管道及容器等造成比较明显的腐蚀现象，从而缩短这些装置或者设备的使用寿命，不利于生产过程的连续性和可靠性。因此在实际生产过程中，需要采取有效的措施来防止冷却水中离子产生的腐蚀效应。具体而言，可以采取的措施主要表现在以下两个方面：

(1)合理选择材料。基于以上试验结果可以看出，在其他条件完全相同的情况下，不同材料产生的腐蚀率差异性很大。不锈钢材料的耐腐蚀性比普通碳钢要好很多，因此在PTA装置中应该尽可能选用不锈钢材料来加工制作相关的设备或者管道。其中，常见的不锈钢材料包括铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢以及双相不锈钢等。考虑到本案例中，PTA装置冷却水中氯离子含量相对较高，可以在不锈钢材料中适当增加氮、硅、钼等元素的含量，这些元素可以有效防止氯离子与致密氧化膜发生反应，从而对其造成破坏。

(2)严格遵守相关的操作规范。除冷却水内部离子浓度对腐蚀性有影响外，其他的化学和物理条件，包括pH值、压力值、周围环境温度等，都会对腐蚀现象产生非常重要的影响。因此，在实际操作过程中必须严格按照相关的规范标准来执行。尤其是要确保冷却水的pH值控制在中性范围内，酸性冷却水会加速腐蚀现象。另一方面，考虑到不同的药剂对腐蚀速率的影响，在合理掌握冷却水水质的前提下，可以适当向冷却水中添加一定的药剂，降低离子的腐蚀性。

采取以上两种措施后，PTA装置冷却水中离子对设备造成的腐蚀现象得到了很好的控制，通过监测发现对装置的腐蚀率控制在了0.015 mm/a范围以内，在相关规范标准要求以内。

4 结语

PTA装置在运行过程中会使用大量的循环冷却水，为了提高水资源的利用效率，对冷却水通常需要进行浓缩处理。但是经过浓缩后的冷却水离子浓度通常要高出很多，并且浓缩倍数越大，离子含量越高。冷却水中包含的大量离子会对PTA装置及相关的辅助措施产生一定的腐蚀现象，不利于设备的长时间稳定、可靠运行。本文基于试验方法研究了冷却水中离子浓度变化与及腐蚀性之间的关系，发现两者之间存在正相关关系。即离子含量越高冷却水的腐蚀性越强。为了降低冷却水对PTA装置产生的腐蚀效应，可以使用耐腐蚀的不锈钢材料来加工制作与冷却水接触的部件，也可以向冷却水中添加合适的药剂，以减缓离子对金属材料产生的腐蚀效应。