换热器设备腐蚀因素分析及防腐蚀技术探讨

苏瑞祺

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司制氢车间，黑龙江 大庆 163000）

换热器在暖通工程中受到了广泛的使用，比如，空调工程中应用的表面型空气冷却器、空气加热装置、风机盘管等，制冷工程中用到的冷风机、无霜冰箱蒸发器等，均为换热器。尽管它们在形式上有着较大的差别，不过从本质上来看，都具有实现冷热流体间热交换的功能。在经济的高速发展以及人们物质水平提高的同时，建筑工程中装配空调的数量越来越多，而采暖空调在整个建筑的能耗中占有的比例也不断提高，增氧提升采暖空调设备的能源利用率，对实现绿色、节能建筑而言十分重要。换热器是暖通空调中的常用装置，更是减少设备能耗的关键一环。不过，换热器在长时间使用后会发生腐蚀、结垢等现象，不仅会导致其传热性能下降，而且还可能导致机组全面瘫痪，使得能耗的大幅提高，并且会因为替换设备而产生较大的经济损失。其中，腐蚀带来的影响最严重，据相关调查得知，换热器的损坏大约90%都是因为腐蚀引起的，并且，腐蚀问题属于换热器中十分常见的一种问题，所以，若是可以将腐蚀问题处理好，就等同于从源头上规避了换热器的损坏。

1 换热器设备腐蚀概述

换热器是一种把热流体中携带的热量传导到冷流体，或者把冷流体中携带的热量传导到热流体的设备，也被称作热交换器。管式换热器因为技术发展较为成熟且维修便利，从而在石化、钢铁、纺织、制药等多个行业中得到了广泛的运用。随着换热器在许多行业的大量普及，从而维修的概率也在不断提高，尤其是因为换热介质的物理化学性质不同，使得换热器受损形式也会有所区别。

在工业高速发展的背景下，腐蚀问题出现得越发频繁，在各个行业与领域中，都有关于此方面的报道。不论是日常生活还是工农行业的生产作业，凡是用到材料的地方都会出现腐蚀问题，由此可见，腐蚀对于社会发展以及人民的安居乐业造成了较大的影响。根据不完全统计，全球每年由于腐蚀而报废与损失的钢铁多达2亿吨以上，大约占全年钢产量的1/10。当前，国内钢铁产量已经达到了几亿吨，而其中却存在大约3/10会因为腐蚀问题而平白损耗。由此推测出，国内每一年度因为钢铁腐蚀而造成的经济损失大概在2700多亿人民币，远超自然灾害与各种事故损失的总值。而国家科技部门、各大行业与公司也逐渐对此问题投入了高度的关注。对于化工厂而言，腐蚀引起的危害是巨大的，既使得其金属资源受损，还会对其正常生产带来威胁，并且因为腐蚀而引起的设备故障也对让现场职工的生命财产安全造成威胁。随着腐蚀问题越发受到人们的关注，以腐蚀为主题而开展研究项目也在不断增多。

2 换热器设备的腐蚀因素分析

2.1 制造换热器的材质

换热器的构成材料除了少部分使用的是不锈钢、铜、钛合金与非金属材料（如石墨、玻璃等），通常主要用到的材料是碳钢。碳钢除了含有一定的碳外，还会含有少部分的Si、Mn、S、P，其整体的力学性质是由钢材中的碳元素比例所决定的，相较合金钢而言，通常不会掺加过多的合金元素，也正因如此，碳钢容易生锈，耐腐蚀性比较弱，极易引起换热器的腐蚀受损，造成一定的经济损失。

2.2 水质的影响

水的含气比例、流动速度、酸碱度、温度、溶解成分都会对换热器腐蚀造成较大影响。其中，含气比例、酸碱度、溶解成分的影响相对更大，方便采取人工措施进行控制，所以在平时使用时要重视维护工作。

换热器设备中有害性最强的因素便是换热器管道内存在太多空气，这不仅会使得水无法正常循环，并且空气中夹带的氧气也容易引起换热器的腐蚀。由于空气在水中的溶解度和压力、温度存在直接关联，在水受到加热而温度变高或是抵御管道阻力压降降低时，空气便会从水内溶解出来。

酸碱度越低，则氢的过电位也会越低，阴极反应越容易发生，进入腐蚀速度就会愈快。所以，在应用冷却液的过程中要注重水质问题，不可随便用水，而是要用具有较高碱性的水，如此便可降低PH值给换热器带来的腐蚀作用。

水内的一些盐离子，尤其是阴离子，对换热器也存在较强的腐蚀性。因此，在使用前要对水内离子浓度进行测量，尽可能减小水内溶解的腐蚀性阴离子，添加适量的抗腐蚀材料，能对换热器起到有效的保护效果。

2.3 换热器进出口温度的影响

和绝大部分化学反应相同，腐蚀速率随着温度的提高而正比例增快。由于水温增高，溶液的电导性变强，腐蚀电流增加，水的黏性降低，促进了阳极与阴极之间发生反应。所以，在平时使用期间要注重把控好供水温度。

3 换热器设备的防腐蚀技术

3.1 在传热流体中添加缓蚀剂

为了缓解腐蚀，在条件允许的情况下，可对流体内添加适量的缓蚀剂。主要由铬酸盐构成的缓蚀剂是冷却水系统较常使用的，铬酸根离子属于一种阳极抑制物质，在其和适当的阴极抑制剂组合时，便可取得理想且高经济效益的防腐蚀作用。常用的阴极抑制剂则有聚磷酸盐、膦酸钠等。据相关研究分析得知，此种方式在防范换热器接触、应力腐蚀与孔蚀方面效果较佳。当前，我国对于缓蚀剂的研究十分有限，市面上的缓蚀剂种类不多，亟需研究出更加高效、经济的缓蚀剂。

3.2 耐蚀材料

使用耐腐蚀材料，例如不锈钢、钛、铝黄铜等，能够提升换热器材质防腐蚀性能，从而延长换热器的使用年限。不过，同时，也会让一次性成本投入增多。例如，在上海金山石化公司中就有使用钛材制成的海水换热器，使用起来性能优秀，不过因为初期投入成本实在太高，因此，无法得到大范围的普及应用。

3.3 Ni—P化学镀、涂料

对整个换热器实行化学镀处理，构成镍磷镀层，此种方式也是增加换热器使用年限的有效措施。不过，此种镀层属于阴极性镀层，只能发挥出机械隔离腐蚀介质的效果，如果部分镀层受损，便会产生大阴极小阳极，加快受损部位的腐蚀，因此保护作用不太可观。我国还研发了一些可供换热器使用的涂料，不过，这些涂料保护效果十分有限，并且在对换热器进行维修吹扫期间容易脱落。

3.4 渗铝

在化工装置中，需要材料兼具耐高温、耐腐蚀、耐磨损三项性能，但能够满足以上要求的低档次材料少之又少，而高档材料则是价格高昂，企业难以承受。碳钢换热器相对而言成本较低，采取表面改性技术能够增加设备的使用寿命，因此成为工业行业中换热器的最佳防腐蚀措施。在此基础上，人们研发出了碳钢渗铝。渗铝是20世纪研发出的一种对金属表面进行防护的措施，把铝元素渗透到工件表部的化学热处理工艺即被称作渗铝，又可分为粉末法、气相法、料浆法几种类型。其能提升钢铁、非铁金属、合金在高温环境下的抗氧化性能，将其放置在大气、H2S、CO2、海水等介质中具备较强的耐腐蚀性能。所以，渗铝工艺逐渐在石化、冶金、航空、船舶、汽车、建筑等多个领域得到了大量使用，同时还陆续发展出了基于渗铝衍生而来的Al-Cr、Al-Si、Al-Cr-Si等共渗技术。

尽管渗铝涂层有着较强的耐高温腐蚀、磨损能力，不过，对于管束和管板连接部位的保护问题迄今尚未得到有效解决，而这也是渗铝碳钢换热器最薄弱的方面，对其使用年限造成了一定的影响。通常，铝的电位相较钢铁略低，所以，渗铝涂层能够用于保护钢铁。不过，在一些特殊情形下，受到外界因素的干扰，铝的电位反而会高于钢铁，此时若是保护层受损，便会出现大阴极小阳极，由此加快腐蚀速度，最终可能发生穿孔等严重后果。

3.5 渗锌涂层

渗锌是钢材防腐处理中最常用、经济效益最高的一种方式，起源于英国与前苏联，是一种在锌的熔点以下让活性锌原子渗透到工件表层的化学热处理防腐。渗锌工艺在20世纪中后期受到一些欧美发达国家的重视，后续便逐渐在工业行业中推广应用。渗锌法又可分为粉末法与气相法两类。

渗锌法具有较多优点：对于温度要求不高，只需控制在400～500℃，所以换热器不易出现变形；既可以提升金属材料在大气、水、H2S与部分有机介质内的抗腐蚀性能，同时还能够让制件表层具有强于电镀锌、热镀锌的硬度与耐磨损能力；渗层较为均匀，当对形状较为复杂的部件进行处理时，渗锌层有着十分明显的优势，不管是螺纹、内壁还是凹槽等位置，都可以将渗层厚度控制得十分均匀；渗锌层和基体属于冶金结合，较难出现剥落。并且，渗锌层和铁的电位差，相较锌与铁之间更低，作为一种阳极性保护层，其所具有的保护作用十分突出。通常认为，渗锌层厚度越大则耐腐蚀性能越高。当前，渗锌产品正逐渐走入大众的视野，既在五金制品中有所应用，并慢慢普及到石化、机械、水利、矿业等许多领域。

相较渗铝法而言，使用粉磨包埋法来对换热器设备实行渗锌处理，无须担心管束和管板连接部位的处理不当。例如，在某次试验中，对20号钢进行渗锌处理后，将其钢材放置在温度大约为80℃的自来水内，尽管有出现电位反转，不过，并未发生点蚀反应。在同等条件下的浓度为3.5%的氯化钠溶液中，渗锌土层电位未出现反转。由此可知，渗锌土层属于阳极涂层，即便土层存在轻微的破损时，作为牺牲阳极也能对钢材发挥保护作用。而且，渗锌法相较渗铝法而言，用于换热器设备的防腐蚀处理更为优秀。所以，需要加大力度研发渗铝与渗锌技术，尤其是要对渗锌技术重点关注，以更有效地延长换热器的使用寿命。

3.6 阴极保护

阴极保护也就是在换热器设备中装设阳极块，基于阳极的牺牲来实现对阴极的保护。此种方式一般是对涂层防腐的补充措施，若是管束不具备防腐涂层，则会导致金属表层电流损失严重，阴极防腐无法取得良好的效果。而在采取涂层和牺牲阳极的方式时，能够取得最佳的防腐作用。阳极块一般焊接固定于换热器的管箱、封头中，阳极块的使用数量需根据设备的尺寸来确定，还要将阳极块均匀设置，确保受保护的设备不存在防护死角。

3.7 防垢器等设备的应用

除垢器在石化、水处理、特殊设备等防腐蚀领域中得到了普遍运用，其关键材料为以多种类型的金属成分构成的特殊合金，此合金充当电化学催化体，在流体经过特殊合金时会和合金材料发生接触，让溶液产生电化学催化反应，由此让液相内的胶体物质转化为悬浮状态，无法聚集附着在管壁上方，导致液相内的各类离子与杂质不容易结合成垢体，还能让已结的垢体发生脱落。此外，还能弱化溶液组合对金属的氧化效用，提高其还原效果，缓解金属材料的腐蚀。使用除垢器能对换热器设备的垢下腐蚀起到良好的防范效果，所以，对于特殊的循环水换热器，便可运用此项技术。

4 结语

换热器防腐蚀是目前亟需加强研究与实施的工作，仅凭单一的措施所取得的效果十分有限，以上提及的措施仅能较大程度上缓解腐蚀问题，却无法从根本上完全根绝腐蚀的出现。因此，在今后需要继续加强对防腐蚀技术的研究，深入了解换热器设备腐蚀发生的具体原因，以此采取针对性措施加强控制，如此方可最大程度地提高设备的使用年限，获得更大的社会效益及经济效益。