劉 芳，張桂芝，夏 璐，楊 飛，常 新，趙朝成

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266555）

應(yīng)用技術(shù)

操作條件對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢的影響

劉 芳，張桂芝，夏 璐，楊 飛，常 新，趙朝成

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266555）

將達(dá)標(biāo)排放的煉油廢水經(jīng)深度處理后回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，是石油、石化行業(yè)節(jié)水減污一個(gè)行之有效的辦法，但腐蝕和結(jié)垢則是實(shí)際應(yīng)用中存在的嚴(yán)重問(wèn)題。本文在動(dòng)態(tài)模擬循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，考察了流速、溫度等因素對(duì)腐蝕和結(jié)垢的影響。研究表明，對(duì)于不銹鋼試管，流速的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響。其中，在1.0 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最厲害，在0.5 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最弱。流速的變化對(duì)試管腐蝕影響較小，只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況。對(duì)于不銹鋼試管，溫度的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響，30 ℃對(duì)點(diǎn)蝕速度的影響最大，在20 ℃時(shí)點(diǎn)蝕最弱。溫度的變化對(duì)試管腐蝕影響較小，只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況，隨溫度的增加冷卻系統(tǒng)管壁結(jié)垢現(xiàn)象逐漸明顯。無(wú)論從抑制系統(tǒng)結(jié)垢還是避免阻垢劑失效的角度來(lái)看，系統(tǒng)的溫度應(yīng)控制在30 ℃以?xún)?nèi)。

循環(huán)冷卻水；流速；溫度；腐蝕；結(jié)垢

在人類(lèi)用水總量中，工業(yè)用水占了很大的比例，而冷卻水占整個(gè)工業(yè)用水的80%左右[1]，且對(duì)水質(zhì)要求并不苛刻。因此將深度處理后的污水回用于冷卻水系統(tǒng)具有很大的潛力。由于煉油廢水富含有機(jī)物和各種離子，可以提供微生物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)成分，為微生物的生長(zhǎng)提供了良好的條件，從而導(dǎo)致微生物大量繁殖。微生物的滋生會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，如換熱效率下降、能耗增加、填料膜堵塞、維護(hù)管理費(fèi)用增加、系統(tǒng)壽命縮短、運(yùn)行成本提高等。

生物膜是有效的隔熱體，在厚度相同的情況下，其導(dǎo)熱率僅為碳酸鈣的25%，這種極低的導(dǎo)熱性會(huì)降低換熱效率，增加能耗[2]。

生物膜會(huì)加重金屬的腐蝕。微生物及其代謝產(chǎn)物附著于金屬表面造成了與水體明顯不同的環(huán)境。在生物膜和管材的界面處形成低氧環(huán)境，這種環(huán)境為破壞性極大的厭氧微生物（例如硫酸鹽還原菌）提供了適宜的繁殖條件，進(jìn)而導(dǎo)致MIC（微生物引起的腐蝕），這是一種隱伏的腐蝕形式，可導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕，腐蝕速率要高于系統(tǒng)其它部位1000倍。在極端情況下，在很短時(shí)間內(nèi)MIC就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備穿孔、破壞，一旦如此，進(jìn)行設(shè)備檢修的代價(jià)將是很大的[2]。

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中腐蝕、結(jié)垢和生物黏泥這三大問(wèn)題同時(shí)存在，生物黏泥又對(duì)換熱器的腐蝕結(jié)垢有影響。為了研究循環(huán)冷卻系統(tǒng)最適宜的操作條件，本文作者考察了溫度、流速與腐蝕、結(jié)垢之間的關(guān)系，以便得出控制生物黏泥生長(zhǎng)的最優(yōu)操作條件。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所采用裝置為NJHL-C智能冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置（南京工業(yè)大學(xué)）。NJHL-C智能冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱器、掛片器、管道、風(fēng)機(jī)、冷卻塔、補(bǔ)水箱、儲(chǔ)水箱、水泵、流量計(jì)、溫度計(jì)、控制柜、操作軟件等組成。整個(gè)裝置工藝流程圖見(jiàn)圖1。

1.2 操作條件

實(shí)驗(yàn)操作條件如表1所示。

表1 NJHL-C智能冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置操作條件

1.3 模擬用水

取某煉油廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)涼水塔下面的集水池的水作為接種水，用自來(lái)水和有機(jī)物配制的溶液作為補(bǔ)充水，用于模擬深度處理的煉油廢水。

2 結(jié)果與討論

2.1 流速對(duì)腐蝕、結(jié)垢的影響

圖1 NJHL-C智能冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖

設(shè)定裝置1、裝置2進(jìn)口溫度為30 ℃，利用腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)在流速為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時(shí)裝置運(yùn)行的腐蝕、結(jié)垢數(shù)據(jù)。分別在每天的10：30、16：30、22：30記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄14 天。

2.1.1 流速對(duì)腐蝕的影響

流速對(duì)不銹鋼試管腐蝕影響的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同流速下的腐蝕數(shù)據(jù)表

由表2可知，對(duì)于不銹鋼試管，不同流速下，只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況，但不同流速下的試管時(shí)時(shí)存在點(diǎn)蝕，裝置運(yùn)行一段時(shí)間后點(diǎn)蝕速度達(dá)到穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的點(diǎn)蝕速度大小排序?yàn)椋?.0 m/s＞2.0 m/s＞1.5 m/s＞0.5 m/s。在1.0 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最厲害，在0.5 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最弱。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于局部腐蝕形成機(jī)理研究的比較多，歸納共同點(diǎn)都認(rèn)為點(diǎn)蝕形成的原因其一是與腐蝕產(chǎn)物膜的不均勻致密有關(guān)[1]；二是與流體流動(dòng)對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜的破壞有關(guān)[3-7]。在不同流速的作用下，腐蝕產(chǎn)物膜薄弱的地方先出現(xiàn)破損，露出沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物膜保護(hù)的基體，這部分將會(huì)有較高的腐蝕速率。此外，在低流速條件下，流速的提高增加了氧的傳質(zhì)過(guò)程，使鈍化和再鈍化能力提高，金屬鈍化占主導(dǎo)地位，沖刷作用相對(duì)較弱。在高流速下，流體對(duì)金屬表面產(chǎn)生的附加剪切力增大，固相顆粒碰撞金屬表面的速度和頻率也增大，沖刷作用占主導(dǎo)地位，隨著流速的提高，液固雙相流沖刷對(duì)表面膜的破壞作用加劇，導(dǎo)致鈍化膜剝落，金屬重新裸露出來(lái)，從而加劇了金屬的沖刷腐蝕[8]。

對(duì)于不銹鋼試管，流速的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響。根據(jù)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50050—1995）[9]：碳鋼換熱器管壁的腐蝕速度小于0.125 mm/a；銅合金和不銹鋼的腐蝕速度小于0.005 mm/a?？梢?jiàn)0.5～2.0 m/s流速范圍滿(mǎn)足循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 流速對(duì)結(jié)垢的影響

污垢熱阻值是污垢?jìng)鳠嵯禂?shù)的倒數(shù)，常用來(lái)表示污垢對(duì)系統(tǒng)的危害。本文作者檢測(cè)了不同流速下的冷卻水瞬時(shí)污垢熱阻、沉積率、垢層厚度變化曲線(xiàn)，流速對(duì)結(jié)垢影響的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）。

由圖2可以看出，系統(tǒng)的瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨冷卻水流速的增加而出現(xiàn)先降低后升高繼而又降低的趨勢(shì)。

在0.5～1.0 m/s范圍，瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。這是因?yàn)?，隨流體流速的增大，水流的剪切力增加，在一定范圍內(nèi)，一方面增加了CaCO3向壁面的傳質(zhì)速率，另一方面流體中的游離細(xì)菌為躲避剪切力的作用而增加了向壁面遷移和附著的趨勢(shì)[10]，但是由于水流流速低，CaCO3傳質(zhì)速率和細(xì)菌的附著力較弱，剪切力作用的增加占主導(dǎo)作用。因此，在0.5～1.0 m/s范圍，瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。在流體流速達(dá)到1.0 m/s時(shí)，剪切力的作用和垢層附著黏附作用持平，使得此時(shí)的瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達(dá)到最低值。

圖2 流速與結(jié)垢的關(guān)系圖

在1.0～1.5 m/s范圍，瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而增加。原因是在1.0 m/s時(shí)，剪切力的作用和垢層附著黏附作用持平，流速超過(guò)1.0 m/s，CaCO3傳質(zhì)速率和細(xì)菌的附著力增加超過(guò)剪切力作用，前者占據(jù)主導(dǎo)作用。

在1.5～2.0 m/s范圍，隨著流體流速的增加，剪切力變得很大，污垢不易沉積在壁面，CaCO3和細(xì)菌未來(lái)得及向壁面遷移附著就被沖走。因此，在此流速范圍內(nèi)隨著流體流速的增加，瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度隨流速增加而下降。

有關(guān)研究表明[11]，隨著流速的進(jìn)一步增大，水流的水力沖刷作用進(jìn)一步加強(qiáng)，當(dāng)流速大于1.0 m/s時(shí)，污垢不易沉積在換熱器表面，但較大的流速同時(shí)會(huì)增大系統(tǒng)的腐蝕。綜合考慮流速對(duì)腐蝕結(jié)垢的影響，循環(huán)水的流速宜選擇在1.0 m/s，此時(shí)的瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達(dá)到最低值。

2.2 溫度對(duì)腐蝕、結(jié)垢的影響

設(shè)定裝置1、裝置2進(jìn)口溫度分別為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，利用腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)流速為1.0 m/s時(shí)裝置運(yùn)行的腐蝕、結(jié)垢數(shù)據(jù)。分別在每天的10:30、16:30、22:30記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄14 d。

2.2.1 溫度對(duì)試管腐蝕的影響

溫度對(duì)不銹鋼試管腐蝕影響的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 溫度與腐蝕數(shù)據(jù)表

由表3可知，對(duì)于不銹鋼試管，在不同進(jìn)口溫度下只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況，但不同進(jìn)口溫度下的試管時(shí)時(shí)存在點(diǎn)蝕，裝置運(yùn)行一段時(shí)間后點(diǎn)蝕速度達(dá)到穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的點(diǎn)蝕速度大小排序?yàn)椋?0 ℃＞35 ℃＞25 ℃＞20 ℃。在30 ℃時(shí)點(diǎn)蝕最厲害，在20 ℃時(shí)點(diǎn)蝕最弱。在不同進(jìn)口溫度下的平均腐蝕速度都為0。對(duì)于不銹鋼試管，溫度的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響，30 ℃對(duì)點(diǎn)蝕速度的影響最大，溫度對(duì)平均腐蝕速度無(wú)影響。

2.2.2 溫度對(duì)結(jié)垢的影響

溫度對(duì)結(jié)垢影響的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）。

圖3 溫度與結(jié)垢關(guān)系圖

由圖3可知，隨溫度的增加冷卻水系統(tǒng)管壁熱阻、沉積率、垢層厚度逐漸增大。當(dāng)溫度較低時(shí)，熱阻、沉積率、垢層厚度隨溫度的變化較小，尤其25 ℃和30 ℃的熱阻、沉積率、垢層厚度變化趨勢(shì)差別更小；當(dāng)溫度在30～35 ℃，隨溫度的增加，熱阻、沉積率、垢層厚度迅速增大。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓绊懥薈aCO3的介穩(wěn)區(qū)的寬度。水中的Ca2+和CO32－并不是剛達(dá)到溶度積就開(kāi)始析出晶體的，而是要溶液過(guò)飽和程度使得結(jié)晶力足夠大時(shí)，結(jié)晶才會(huì)開(kāi)始，這段區(qū)域稱(chēng)為介穩(wěn)區(qū)。當(dāng)水溫較低時(shí)，CaCO3的介穩(wěn)區(qū)較寬，Ca2+和CO32－生成沉淀所需要的濃度較大，因此，產(chǎn)生的沉淀量較少；當(dāng)溫度升高時(shí)，離子的活化能和擴(kuò)散速度增大，使得結(jié)晶核碰撞的機(jī)會(huì)增多，使得CaCO3的介穩(wěn)區(qū)變窄，生成沉淀所需的濃度降低，結(jié)晶速度加快，生成的沉淀增多。另外，材料表面能與溫度有關(guān)[12]，隨著溫度升高，表面能在一定范圍內(nèi)增加，也會(huì)導(dǎo)致成垢量增大。不銹鋼在高溫運(yùn)行時(shí)的抗垢效果較差。由圖可知，無(wú)論從抑制系統(tǒng)結(jié)垢還是避免阻垢劑失效的角度來(lái)看，系統(tǒng)的溫度應(yīng)控制在30 ℃以?xún)?nèi)。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于不銹鋼試管，流速的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響。其中，在1.0 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最厲害，在0.5 m/s時(shí)點(diǎn)蝕最弱。流速的變化對(duì)試管腐蝕影響較小，只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況。

（2）隨冷卻水流速的增加，試管結(jié)垢現(xiàn)象呈現(xiàn)先降低后加快繼而又降低的趨勢(shì)。當(dāng)流體流速到達(dá)1.0 m/s時(shí)，剪切力的作用和細(xì)菌附著作用持平，使得此時(shí)的瞬時(shí)污垢熱阻值、沉積率、垢層厚度達(dá)到最低值。因此，循環(huán)水的流速宜選擇在1.0 m/s。

（3）對(duì)于不銹鋼試管，溫度的變化只對(duì)點(diǎn)蝕速度有影響，30 ℃對(duì)點(diǎn)蝕速度的影響最大，在20 ℃時(shí)點(diǎn)蝕最弱。溫度的變化對(duì)不銹鋼試管腐蝕影響較小，只有個(gè)別時(shí)間存在腐蝕情況。

（4）隨溫度的增加冷卻系統(tǒng)管壁結(jié)垢現(xiàn)象逐漸明顯。當(dāng)溫度較低時(shí)，尤其在25 ℃和30 ℃，熱阻、沉積率、垢層厚度變化趨勢(shì)差別很??；當(dāng)溫度≥35℃，隨溫度的增加，熱阻、沉積率、垢層厚度迅速增大。無(wú)論從抑制系統(tǒng)結(jié)垢還是避免阻垢劑失效的角度來(lái)看，系統(tǒng)的溫度應(yīng)控制在30 ℃以?xún)?nèi)。

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Effects of operating conditions on corrosion and fouling in circulating cooling water system

LIU Fang，ZHANG Guizhi，XIA Lu，YANG Fei，CHANG Xin，ZHAO Chaocheng
（College of Chemistry and Chemical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China）

It is an effective way to reuse the refinery wastewater after advanced treatment to the circulating cooling water system in petroleum industry. However，corrosion and fouling are two unfavorable problems in practical application. In this paper，effects of flow velocity and temperature on corrosion and fouling in dynamic circulating cooling water system were investigated. Results showed that the change in flow velocity was only influential to the point corrosion in stainless steel test tube，the most serious point corrosion formed at flow velocity of 1.0 m/s，the weakest point corrosion was found at flow velocity of 0.5 m/s. While，the change in temperature was similarly only influential to the point corrosion in stainless steel test tube，the most serious point corrosion formed at the temperature of 30 ℃，the weakest point corrosion was found at the temperature of 20 ℃. Meanwhile，the fouling in stainless steel test tube showed a sharp increase when temperature increased. To control the fouling formation and to avoid the invalidation of scale inhibitors，the temperature in circulating cooling water system should be controlled no higher than 30 ℃.

circulating cooling water；flow velocity；temperature；corrosion；fouling

A

1000–6613（2010）04–0772–07

2009-09-04；修改稿日期：2009-10-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金（20707040）及污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（PCRRF08002）資助項(xiàng)目。

劉芳（1976—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)樗廴究刂萍八Y源回用。E-mail liufangfw@163.com。