化工换热器常见腐蚀问题及防控措施的研究

欧阳伟媛

广东中化石油化工设计有限公司 广东 广州 510700

化工企业生产的主要目的是创造更多的经济效益，所以化工设备一旦投入使用便会长时间处于运行状态，这种高负荷的工作环境以及长时间的使用，不仅会增加化工设备性能故障问题，而且还会影响化工设备的使用寿命。而通过换热器的应用能够有效调控生产过程中的温度，为设备创造一个良好的运行环境，所以保证换热器的质量也尤为重要。结合换热器故障的原因分析可知，腐蚀问题是造成换热器故障的重要原因，设备在长期与腐蚀性物质接触的环境下，使得换热器的寿命严重缩减。为了帮企业谋取更多的经济效益，并强化设备运行期间的安全性，做好换热器腐蚀问题分析与防控处理尤为重要。

1 化工设备换热器相关概述

换热器简单来说就是实现能量转换的设备，通过在换热器中通入或冷或热的流体，实现降低或升高其他设备温度的目的，将其他设备的温度控制在预期参数标准范围内，进而提高化工生产的质量和效率。所以结合换热器的工作原理可知，相较于其他设备来说换热器不仅会受到自身因素的影响，而且还会受到生产运营周期等因素的影响，其始终处于温度较高的环境下。当下我国正处于工业发展中期，工业企业的快速发展也使得市场对换热器的需求量不断攀升，而不同的企业对于换热器的需求存在一定的差异性，所以这些促使换热器的种类和生产规模明显增多。以能量转换分类，换热器的种类主要包括混合式、蓄热式等；以用途分类，换热器的种类包括冷却器、加热器以及蒸发器等；以材料的角度分类，有金属、陶瓷等。通过材料、性能多样的换热器，更能够适应化工生产复杂环境的需求[1]。

2 换热器防腐的意义

2.1 保证设备的正常运行

化工生产中需要使用大量的机械设备，而当下为了满足人们不断增长的物质文化需要，化工机械设备也逐渐向复杂化方向发展，所以同一个机械设备可能会需要使用多个换热器。与此同时，在设备运行的过程中腐蚀问题是常见的现象，而且相较于其他问题来说腐蚀问题的处理难度更高，所以很少有企业能够实现对腐蚀问题的高效处理。换热器作为设备的重要组成部分，一旦换热器出现腐蚀问题而无法正常发挥作用，就会对整个设备的正常运行造成影响，影响企业经济效益的同时，还有可能会缩短是为了运行寿命，所以保证换热器持续、平稳运行尤为重要。

2.2 实现高效环境保护

化工企业在生产的过程中本身就会产生大量的污染问题，化工企业作为我国经济体系的重要组成部分，其不仅具有经济效益的特点，也需要承担社会主义市场环境下的社会效益，所以在可持续发展理念的影响下，化工企业也逐渐向绿色环保型方向发展。由于造成换热器腐蚀的原因多种多样，所以一旦换热器发生腐蚀问题，可能会造成有害物质泄漏，进而增加环境污染。而做好换热器的防腐处理，也是从源头上减少化工生产环境污染的重要手段，有效的保证了企业的经济效益和环境效益。

3 化工设备换热器常见的腐蚀类型

3.1 物理腐蚀

物理腐蚀简单来说就是由于单纯的物理溶解等因素而引起的设备破坏。物理腐蚀是设备中最常见的，也是不可避免的一种腐蚀问题。结合换热器运行的方式可知，其主要是通过换热器内部流体的运动从而带走能量，所以整个换热器内部的金属构件和内部流通物质之间存在较大的相对运动。在运动的过程中金属构件的表面会与流动介质产生摩擦，从而造成摩擦腐蚀。与此同时，换热器的使用环境相对较为复杂，其始终处于高温的环境下进行，在高温环境以及流体内部摩擦力的作用下，进一步增加了摩擦冲击对金属内壁的影响。虽然在选择设备的过程中，为了延长设备的使用寿命，会在设备内部设置相应的保护层，但在长期磨损和冲击的影响下，也造成换热器的腐蚀逐渐加剧。除此之外，金属部件的换热器在实际使用的过程中其会产生黏性介质，这些黏性介质一旦堆积，会影响换热器正常的功能，为了保证换热器的性能，化工单位一般会将换热器内部介质的流通速度控制在2m/s左右，这虽然能够有效减少粘性介质的影响，但同样加剧了内部物理腐蚀的风险。内部介质在高速流动的环境下，其内部会产生大量的气泡和颗粒，使得金属表面在承受原有压力的基础上瞬间增加数十兆帕的压力，造成换热器表面出现深谷以及凹槽等问题。

3.2 电化学腐蚀

为了保证化工机械设备能够持续有效运转，换热器也是处于不断运转的状态下，在长期运转的环境下，其内部的流体由于摩擦作用也会造成其内部介质数量增多，进而造成介质沉淀等问题。尤其是在换热器的末端，由于内部流体的流速减慢，使得管内增加了大量的沉积物。与此同时，管道内部沉积物的含量与沉积物的质量、管道内部流速有着密切的关系，所以这也造成管道内部不同区域的沉积物分布不均，沉积物本身粘连性较差且形状各异，增加了沉积物内部间隙和裂隙产生的概率。在间隙和裂缝所造成的外氧差异的影响下，造成换热器不同部件之间产生电化学腐蚀现象。当下常见的电化学腐蚀主要包括阳极金属腐蚀、还原性腐蚀等。阳极金属腐蚀简单来说就是阳极区域的金属离子被氧化，从而形成游离的阳极离子，这些阳极的离子会与阴极金属发生还原反应，而在反应的过程中可能会产生中性溶液或碱性溶液，一旦发生碱性溶液会造成整个热转换器内部的流体产生腐蚀性，在不断循环的过程中加剧热转换器的腐蚀程度[2]。

3.3 管道水侧腐蚀

化工设备换热器中主要的介质就是水，相较于其他介质来说，水资源的成本相对较低而且水的比热容大，所以在能量转换的过程中，只需要较少的泵送机械能即可完成水资源的输送。而为了进一步降低成本，在整个换热器中水资源始终处于循环利用状态，但水资源的降温和升温处理需要大量的时间，所以整个换热器中的水资源用量相对较高，若在使用的过程中对水质处理不严格，就会增加整个换热器中水资源的杂质，杂质经过长期的聚集实现量变，最终造成管道水侧产生腐蚀现象。与此同时，换热器中的水一般是弱酸性，再加上水资源在运输的过程中也会产生气泡，而气泡中含有大量的氧气，所以这也进一步增加了设备被腐蚀的风险。例如管道本身中含有大量的铁元素，水中的酸性物质与铁元素发生反应后，游离的铁离子还会与空气发生进一步氧化，使管道内部腐蚀加剧。

3.4 应力腐蚀

应力腐蚀简单来说就是材料在静应力和腐蚀的共同作用下，造成材料产生低应力脆性断裂的问题，而应力腐蚀的过程也是在外部应力和残余应力的作用下造成材料破坏的过程。相较于材料的其他腐蚀问题来说，应力腐蚀对换热器的影响更深，其对材料能够造成破坏性的影响，在外力的作用下材料的性能会大打折扣，使整个换热器出现断裂或损坏等故障，进而使整个机械设备处于瘫痪的状态。当下常见的应力腐蚀主要包括阳极溶解应力腐蚀、氢致开裂应力腐蚀等。造成换热器出现应力腐蚀的原因多种多样，当下常见的换热器出现应力腐蚀的原因主要是由于在外界力的作用以及内部流体介质的作用下，使得换热器表面的氧化膜被破坏，而被破坏的材料和未被破坏的材料分别形成电池的阴阳两极，通过介质的作用实现电子的高效流动，最终产生原电池。由于原电池中阴阳两极始终处于不断反应的状态，所以其也造成零部件的持续溶解，缩短零部件使用寿命的同时，也造成了极大的安全隐患[3]。

4 化工设备换热器防腐处理措施

4.1 利用防腐涂料，提升设备防腐性能

防腐涂料对于各种腐蚀来说都有着突出性的作用，其能够在腐蚀介质和换热器之间形成隔绝层，从根源上阻绝腐蚀的过程。而不同的防腐涂料其应用范围也存在差异性，当下常见的防腐涂料主要包括防溶剂涂料、防油腐蚀涂料等，这些涂料能够在金属表面形成一层隔离层，通过物理隔绝的方式实现对腐蚀问题的有效隔绝，从而减少物理腐蚀和化学腐蚀等问题。但不同的腐蚀材料各有其优缺点，所以将其应用于化工设备防腐中，工作人员需要结合换热器应用的实际情况，选择合适的防腐涂料，从而避免由于防腐涂料选择不合理进而加速腐蚀问题。例如金属防腐涂料具有可变性的优势，通过该防腐涂料能够有效避免在处理的过程中出现裂缝等问题，但同样若金属防腐涂料选择不合理，其也有可能形成原电池的阳极或阴极，从而加速设备的腐蚀。涂料具体的应用方式主要包括电镀、火焰喷涂的，在防腐材料喷涂完成后还需要对其进行高温烘烤，从而使涂层能够与金属材料紧密的结合在一起。除此之外，在化工生产的过程中也需要使用到大量的具有腐蚀性的原材料，而这些原材料也可能会与换热器外部接触，所以换热器也需要对外部进行防腐处理。而在不断研发和创新的过程中，也创造出一种以过滤乙烯为主的底漆和面漆，这种防腐材料不仅具备防潮防水防能的性能，而且还能够有效抵抗酸碱的侵害，具有较强的防腐能力[4]。

4.2 牺牲阳极的阴极保护法

当前市场上常见的换热器主要包括铜、不锈钢等材料所构成，这些材料具有较强的稳定性。管壳式换热器也是当下常见的换热器，其是由碳钢不锈钢和铜所构成，而碳钢的材料不仅包含渗碳体还包括铁素体，在将该换热器作为冷却器使用的过程中，由于渗碳体的电位更低，在流体的参与下其能够形成原电池，在实际使用的过程中管板和列管的焊缝中会出现一些腐蚀性泄漏，这个过程也是电化学腐蚀过程。而处理电化学腐蚀方式最有效的措施就是牺牲阳极的阴极保护法，该方式也是当下化工设备防腐维护的重要途径。牺牲阳极的阴极保护法简单来说就是将还原性较强的金属材料作为保护极，还原性较强的材料可以与负极发生氧化还原反应，从而有效避免了原来的金属被腐蚀的问题，实现了对阳极金属的有效保护。例如在换热器表面增加镁、铝等金属材料，这些金属材料的还原性比铁元素更高，这样换热器表面的金属则会代替铁元素形成原电池，避免了换热器中铁元素的腐蚀和破坏。

4.3 防止应力腐蚀

介质是造成应力腐蚀的重要原因之一，在不同的体系下同一种介质也会产生不同的影响。例如在奥氏体不锈钢中，若其介质为中性氯化物溶液，且介质中氧的质量浓度低于1.3mg/m3，极容易发生应力腐蚀，所以可以通过去除腐蚀性介质的方式达到防腐的目的。工作人员可以在换热器中加装缓释剂等，实现对腐蚀介质的处理，提高换热器工作质量的同时，也能够加快生产效率。与此同时，残余应力也是造成应力腐蚀的重要元凶，胀接结构的残余应力产生的主要原因是冷加工所引起的内应力所构成，其胀管率越大，残余应力越大，其所产生的腐蚀倾向越大。所以为了降低应力腐蚀发生的概率，相关人员也需要严格控制胀接压力，必要时可以通过改变换热管和管板之间的连接方式。

4.4 金属或无机涂层保护措施

金属或无机涂层保护措施又被称为镀层防护保护，其是在换热器设备金属层表面设置一层金属或无机涂层，通过该涂层实现对换热器设备的保护作用。金属涂层的具体操作方法主要包括电镀、包镀以及蒸汽镀等，而无机镀层保护可以通过喷涂、化学转换等方式。金属或无机镀层两者之间各有其优缺点，金属涂层的变化性相对较强，而无机涂层则相对较为脆弱。在实际操作的过程中，工作人员需要确保涂层的完全隔离状态，及时解决其存在的缺陷以及孔洞等问题，从根本上避免发生电偶效应的概率，提升保护的效果[5]。

5 结束语

综上所述，时代的发展使得人们对化工行业的依赖程度不断攀升，作为化工企业的重要设备，在化工生产的过程中必须保证换热器运行的安全性和有效性。所以化工企业就需要重点关注换热器的运行情况，针对造成换热器腐蚀问题的原因进行有针对性的处理，延长换热器使用寿命的同时，也能够使其充分发挥自身的能量转换作用，进而缓解化工生产过程中的压力，为推动化工领域的全面高效发展提供保障。