王志魁

摘?要：換熱器是大型壓縮機(jī)機(jī)組中不可缺少的換熱裝置，它的高效運(yùn)行是壓縮機(jī)機(jī)組正常運(yùn)行的必要條件，也是壓縮器內(nèi)工藝氣體的溫度在安全范圍內(nèi)的保證。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，換熱器的換熱效率和壽命與多種因素密切相關(guān)。其中，換熱管內(nèi)外介質(zhì)的組成對(duì)換熱管束的腐蝕有顯著的影響。

關(guān)鍵詞：換熱器;管束;短期失效;對(duì)策

某煉化公司一臺(tái)水煤氣壓縮機(jī)換熱器，管內(nèi)介質(zhì)為水煤氣，管外介質(zhì)為循環(huán)水。換熱器殼程溫度在30℃～120℃，管程工作溫度在20℃～40℃，工作壓力在0.2MPa～1.2MPa。該換熱器的換熱管管束在短期內(nèi)（<6個(gè)月）便發(fā)生泄漏。導(dǎo)致泄漏的原因很多，本文從多方面分析泄漏的原因。在分析的基礎(chǔ)上，對(duì)介質(zhì)的組成、換熱管束的清洗以及后續(xù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)提出相應(yīng)的措施，以保證換熱器工作效率及使用壽命。

1工藝分析

該換熱器管束材料為20號(hào)鋼，管程與殼程內(nèi)介質(zhì)分別為水煤氣和循環(huán)水。

2泄漏原因分析

2.1宏觀形貌

取泄漏管束中的一段進(jìn)行分析，換熱管內(nèi)外部銹蝕嚴(yán)重，有泄漏孔出現(xiàn)。換熱管外部有黃色的銹跡，管內(nèi)部的顏色相對(duì)較深，黑色銹跡。此外，還有許多點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)。將腐蝕層外側(cè)黃色銹跡除去后發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)呈黑色。說(shuō)明除了在換熱管外部有大量的氧化亞鐵存在外，其里層已經(jīng)被深度氧化成氧化鐵。

2.2腐蝕物成分分析

對(duì)換熱管腐蝕層成分進(jìn)行分析，腐蝕層中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。這說(shuō)明腐蝕層具有大量的氧化鐵和氧化亞鐵存在。氧化亞鐵呈現(xiàn)出黃褐色，氧化鐵則呈現(xiàn)出黑色。Si的含量符合20號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;Ca離子以碳酸鈣和硅酸鈣的形式存在;Mg離子的存在加速管道的結(jié)垢;除此以外，大量Cl元素的存在加速了對(duì)20號(hào)鋼材電腐蝕。

2.3金相分析

20鋼管經(jīng)過(guò)冷拔后，基材呈帶狀，白色的為拉伸的鐵素體，拉伸方向沿管子縱向方向;黑色的為珠光體。除銹拋光后的金相組織沒(méi)有發(fā)生改變。由此可以判斷，該換熱管的基材符合標(biāo)準(zhǔn)，不是造成泄漏的原因。通過(guò)宏觀形貌、微觀形貌以及腐蝕層的化學(xué)元素分析可知，管束內(nèi)外表面均發(fā)生了腐蝕，且外表面的腐蝕厚度大于內(nèi)表面的腐蝕厚度，泄漏孔由外表面穿向內(nèi)表面。主要原因是循環(huán)水中存在較高的O含量，Cl、Ca和Mg離子的含量也超標(biāo)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，該循環(huán)水處理為開(kāi)放式，水中含有大量的O2存在。換熱設(shè)備在高溫高壓下工作，由于換熱管與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，因此在換熱管附近的介質(zhì)形成溫度梯度，在溫度梯度的作用下，溶解的O2被源源不斷地帶入到管壁，與其接觸并作用，這是導(dǎo)致?lián)Q熱管束在短期內(nèi)就產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏的主要原因。此外，循環(huán)水中無(wú)機(jī)鹽離子的存在，對(duì)換熱管起到腐蝕作用。

3換熱器管束分析檢測(cè)

3.1外壁沉積物檢測(cè)分析

為了更好地了解管束外壁的腐蝕狀態(tài)，對(duì)其表面的沉積物進(jìn)行取樣，借助離子濺射儀完成樣品的制備，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對(duì)沉積物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束外圍附著近1mm厚的沉積物，呈現(xiàn)出表面致密，靠近管壁處較為松軟的狀態(tài)。能譜分析結(jié)果表明管束外圍附著的沉積物成分是硫化亞鐵，摻雜微量的氧化鐵。硫化亞鐵組織結(jié)構(gòu)疏松，可能來(lái)自管束內(nèi)介質(zhì)附帶的鐵銹，也可能來(lái)自于頂循油內(nèi)硫元素與管束的化學(xué)反應(yīng)，均勻附著于管束外圍。

3.2外壁腐蝕狀況檢測(cè)分析

為了更清晰的觀察管束外圍的腐蝕情況，在換熱器中取長(zhǎng)度為30mm的管束，將其外圍的沉淀物清理干凈，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對(duì)表面存在的腐蝕物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束表面的腐蝕程度較輕，呈現(xiàn)出均勻腐蝕的狀態(tài)，腐蝕物質(zhì)分布極為致密。能譜分析結(jié)果表明管束表面的腐蝕物質(zhì)為含鐵元素和氯元素的化合物。由換熱器管束表面即使出現(xiàn)了腐蝕狀況，但是并不嚴(yán)重，不是管束泄露的主要原因，極有可能是管束內(nèi)壁的嚴(yán)重腐蝕所致。

3.3內(nèi)壁沉積物檢測(cè)分析

為了進(jìn)行管束內(nèi)壁腐蝕情況的觀察，截取長(zhǎng)度為50mm的管束，將其刨切為兩半。首先在管束內(nèi)壁位置取沉積物樣品，目測(cè)管束內(nèi)壁包含鐵銹和水垢兩種沉積物。之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對(duì)沉積物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束內(nèi)壁存在較多的水垢，水垢表面存在大量裂紋，并未緊緊附著與管束內(nèi)壁;鐵銹本身的致密性較差，極易破損成粉狀，但是緊緊附著于管束表面，不易清理。能譜分析結(jié)果表明水垢的主要組成包括鐵銹、碳酸鹽等;鐵銹的主要成分為鐵的氧化物。

3.4內(nèi)壁腐蝕狀況檢測(cè)分析

對(duì)于管束內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)的觀察，需要在泄漏管束中截取長(zhǎng)度為30mm管段，刨開(kāi)之后清除管束內(nèi)壁上附著的沉積物，取出腐蝕程度較大的位置制備分析樣品，之后在掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察，并對(duì)腐蝕物進(jìn)行能譜分析。微觀組織觀察結(jié)果表明管束未泄漏位置存在較多的點(diǎn)蝕坑，直徑尺寸在2.5～3mm之間，深度尺寸在1.5mm左右，繼續(xù)腐蝕將會(huì)穿透管束，導(dǎo)致管束泄漏。能譜分析結(jié)果表明腐蝕坑內(nèi)部的腐蝕物質(zhì)成分組成為鐵的氧化物，同時(shí)夾雜微量的氯化物及硫化物。綜合以上檢測(cè)結(jié)果可以得出管束出現(xiàn)泄漏是由內(nèi)壁腐蝕出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑深度不斷增加導(dǎo)致的。

4解決方案

4.1更換和清洗換熱管

首先對(duì)該換熱管束進(jìn)行整體排查，將泄漏的管進(jìn)行更換。然后對(duì)換熱器進(jìn)行整體化學(xué)清洗。在化學(xué)清洗前，根據(jù)腐蝕的情況確定清洗方案如下：酸洗除銹———預(yù)膜形成金屬保護(hù)膜。此外，對(duì)開(kāi)放式的水處理改用封閉式的處理方式。避免水處理中含氧量的增加。

4.2循環(huán)水處理

在給換熱器清洗和預(yù)膜后，還應(yīng)該對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。為了節(jié)約水資源，根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)，篩選出適用性強(qiáng)的高效緩蝕阻垢劑添加到其中。目前，水處理采用的有機(jī)阻垢劑有膦酸類(lèi)阻垢劑、羧酸類(lèi)阻垢劑、膦酸羧酸類(lèi)阻垢劑等。最常用的阻垢劑是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸鹽共聚物組成的復(fù)合緩蝕阻垢劑。這些有機(jī)酸對(duì)金屬表面形成的保護(hù)膜起到保護(hù)作用，同時(shí)對(duì)循環(huán)水中的碳酸鈣等均有良好的螯合分散和晶格畸變作用。

4.3循環(huán)水日常管理

循環(huán)水管理素有“三分藥劑，七分管理”之說(shuō)。在循環(huán)水正常運(yùn)行后，在升溫、蒸發(fā)和冷卻的過(guò)程中，水質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。因此，日常運(yùn)行主要根據(jù)水質(zhì)變化情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，每天定時(shí)分析和上報(bào)。

與此同時(shí)，還要對(duì)容器的腐蝕速度和結(jié)垢進(jìn)行測(cè)定。將一定規(guī)格的金屬掛片安裝在循環(huán)水出口管線上的引出管中，一個(gè)月后取出稱(chēng)重。根據(jù)掛片的失重情況，可判斷腐蝕速度。根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GN50050-2007）規(guī)定，冷熱設(shè)備碳鋼管關(guān)閉的腐蝕速度<0.075mm/a。采用監(jiān)測(cè)換熱器法，模擬換熱器的操作條件，用飽和蒸汽作介質(zhì)。運(yùn)行一個(gè)月后取下測(cè)算腐蝕率和黏附速率，污垢熱阻反映結(jié)構(gòu)情況。要求達(dá)到《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GN50050-2007）規(guī)定：換熱設(shè)備水側(cè)管壁的年污垢熱阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉積速率≤20mg/cm2·月。

結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，本文中換熱管材質(zhì)合格，造成換熱管束短時(shí)期失效的主要原因是循環(huán)水水質(zhì)的問(wèn)題。因此，針對(duì)該問(wèn)題提出了解決方案。首先對(duì)腐蝕嚴(yán)重的換熱管清洗。其次，對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行阻垢緩蝕處理。在正常運(yùn)行后，分別對(duì)換熱管的腐蝕和循環(huán)水的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。保證換熱器在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行運(yùn)行的同時(shí)，定期進(jìn)行清洗以使換熱器達(dá)到高效換熱并延長(zhǎng)使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]?周葆紅，李言浩，王志亮，等.U形管式換熱器管束失效分析及防范[J].化工設(shè)備與管道，2019，40（006）：48-52.