韓世勛

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 甘肅 蘭州 730050）

1 引言

要想確保能夠?qū)Q熱器進(jìn)行分析，需要對(duì)換熱器進(jìn)行模擬。目前，換熱器在使用過程中，其處于水環(huán)境以及硫化氫、氨環(huán)境，因此其管程加氫氣堤塔底油，按照常規(guī)思路，其殼程腐蝕較為嚴(yán)重[1-2]。但在實(shí)際觀測(cè)中，管程腐蝕卻較為嚴(yán)重，而管口已成刀刃狀。因此，在分析其內(nèi)部介質(zhì)中，通過脫硫、脫鹽處理后，其換熱器管板處于輕腐蝕環(huán)境。在使用過程中，經(jīng)過檢測(cè)，約有50%的氣體入塔后便降至塔底，并與42%的熱介質(zhì)進(jìn)行交換，產(chǎn)生較小粒氣體，這些小粒氣體很容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

2 工程概述

為了確保能夠就換熱器管板的反應(yīng)氣體冷卻因素進(jìn)行分析，需要得知其整體的腐蝕反應(yīng)。氣體冷卻器或熱感管套有可能在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生薄弱、失效等問題。該換熱器以及換熱管最初采用的為深孔焊接形式，在使用過程中，板管孔發(fā)生腐蝕，并導(dǎo)致整個(gè)換熱管泄漏[3]。因此，必須對(duì)半管孔增加套管保護(hù)，減少其出現(xiàn)的腐蝕薄弱問題。套管材質(zhì)可以為15CrMoG，整個(gè)換熱器的參數(shù)見表1。

表1 換熱器工作參數(shù)

根據(jù)表1所示，為了防止其管板管孔出現(xiàn)堵塞，因此其整個(gè)冷卻板管設(shè)有噴頭，可以隨時(shí)噴灑硫銨。噴頭通過噴頭閥門進(jìn)行控制，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)冷卻。在后續(xù)的工作中，其板管邊緣處出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，且最外周3圈管口發(fā)生堵塞，并出現(xiàn)薄弱現(xiàn)象，其他板管的部位管口并沒有發(fā)生腐蝕以及堵塞。

3 換熱器管板腐蝕現(xiàn)象分析

3.1 均勻腐蝕

根據(jù)查閱到的相關(guān)資料[1]，可以得知均勻腐蝕是目前最常見的腐蝕問題。其整個(gè)材料發(fā)生均勻腐蝕時(shí)，其表面均勻剪薄，并沒有形成腐蝕坑。因此，其腐蝕反應(yīng)方程式包含以下3種：

均勻腐蝕會(huì)對(duì)材料造成一定破壞，但均勻腐蝕的危害程度有明顯的可預(yù)見性。因此，僅需要把握好換熱器的運(yùn)行特征，就可以有效減少均勻腐蝕的危害。

3.2 點(diǎn)蝕

作為一種腐蝕現(xiàn)象，點(diǎn)蝕可以在金屬局部地區(qū)生成腐蝕性小孔。這些小孔如果未能有效處理，會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部惡化，呈現(xiàn)深度發(fā)展的問題，導(dǎo)致其腐蝕破壞形式更加深入且不可控。在點(diǎn)蝕中，小孔的直徑具有直徑小、深度大的特征。此外，在腐蝕時(shí)，其腐蝕產(chǎn)物將會(huì)直接覆蓋小孔，因此從外界很難通過常規(guī)模式進(jìn)行檢測(cè)。作為隱藏性以及破壞性較大的一種腐蝕形態(tài)，點(diǎn)蝕是換熱器腐蝕失效的重點(diǎn)因素。按照相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)換熱器腐蝕失效進(jìn)行盤點(diǎn)，點(diǎn)蝕導(dǎo)致的問題比例極大。換熱器在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，其會(huì)在換熱管內(nèi)外兩側(cè)出現(xiàn)難溶鹽，而堆積物下方則很容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。此外，循環(huán)冷卻水的氯離子等強(qiáng)腐蝕性離子也會(huì)加劇整個(gè)換熱管的腐蝕創(chuàng)口。例如，不銹鋼鋁合金經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

在通常情況下，在含有氯離子的介質(zhì)中，包含了點(diǎn)蝕形成的過程以及點(diǎn)蝕孔的生長(zhǎng)。因此，目前關(guān)于點(diǎn)蝕的形成過程主要包含兩種觀點(diǎn)：首先，對(duì)于腐蝕性陰離子而言，腐蝕性陰離子的半徑較小，但腐蝕性陰離子的穿透性極強(qiáng)。因此，其很容易在小孔內(nèi)穿過鈍化膜，利用小孔內(nèi)的間隙與金屬接觸后，產(chǎn)生可溶性化合物，因此出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。其次，便是氯離子在其金屬表面通過吸附功能，將吸附氧進(jìn)行排擠，導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

3.3 電偶腐蝕

對(duì)于電偶腐蝕而言，其分子在電極位置的不同兩種金屬在后續(xù)電解液中，二者出現(xiàn)相互接觸現(xiàn)象。在融合過程中，其金屬作為低電位與電偶的陽極二者呈現(xiàn)腐蝕。發(fā)生在接觸邊緣附近，在電有腐蝕中距離邊緣地方，腐蝕性較輕。在混合式換熱器中，其整個(gè)換熱管與板管直流板等采用不同材料，因此存在電偶腐蝕的可能。電位差對(duì)于電容腐蝕的影響非常重要，其主要發(fā)生在電荷腐蝕條件以及推動(dòng)力中。二者金屬電位較大時(shí)，整個(gè)機(jī)電殼的腐蝕傾向較大。但在耦合厚度中，亦有一定區(qū)別。例如，二者金屬回路電位雖然相差較大，但耦合厚度的陽極體腐蝕模式以及速度不一。針對(duì)腐蝕電流大小，其不應(yīng)由電位進(jìn)行決定，在研究過程中也必須考慮整個(gè)極化行動(dòng)因素。例如，可以分析現(xiàn)有的不銹鋼以及鋁組合電偶，研究二者之間的電位差，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)溶解氧的還原反應(yīng)。在后續(xù)的運(yùn)行過程中，銅鋁組合可以完成電偶的應(yīng)用，確保整個(gè)不銹鋼度化反應(yīng)生成良好的催化膜。陰極反應(yīng)則可以集中在薄膜的脆弱處，而電子則可以穿過。此種方式將會(huì)導(dǎo)致陰極極化率高，且陰極反應(yīng)難以進(jìn)行，導(dǎo)致電容出現(xiàn)負(fù)荷嚴(yán)重的問題。因此，可以判斷電極極性以及腐蝕傾向，以便研究電位差是否能發(fā)生電偶腐蝕。

3.4 沖刷腐蝕

根據(jù)金屬表面的沖刷腐蝕進(jìn)行分析，金屬表面的腐蝕流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大，因此這就會(huì)導(dǎo)致在后續(xù)運(yùn)行中換熱器金屬表面的沖刷腐蝕性較高，很容易受到腐蝕因素的不良影響，出現(xiàn)干擾，使腐蝕流通介質(zhì)運(yùn)行流動(dòng)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。腐蝕的流動(dòng)機(jī)制可以將其分為氣體、液體以及固體顆粒，對(duì)于換熱器液體，其一般出現(xiàn)在高速運(yùn)行狀態(tài)。因此，腐蝕介質(zhì)以及其相關(guān)金屬構(gòu)件表面運(yùn)動(dòng)速度與腐蝕性具有密切關(guān)聯(lián)。但在換熱器中，其含有固體顆粒等雜質(zhì)，其將會(huì)在高速流速下加快對(duì)于金屬表面的沖刷，加快腐蝕特效。在水箱換熱器中，此種腐蝕模式廣泛存在，如不進(jìn)行有效處理，將縮短換熱器的整體使用壽命。

3.5 應(yīng)力腐蝕

就整個(gè)應(yīng)力腐蝕進(jìn)行分析，其在材料加工以及殘留應(yīng)力腐蝕技術(shù)的共同作用下，有可能產(chǎn)生腐蝕形態(tài)。在生產(chǎn)過程中，針對(duì)換熱器部件，可以產(chǎn)生硬荷載應(yīng)力，且根據(jù)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，其有可能引起局部應(yīng)力以及制造過程中的參與應(yīng)力。這些均有可能導(dǎo)致?lián)Q熱器焊縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不連接或者連接不緊密的問題，且管殼式換熱器在運(yùn)行過程中，自身很容易產(chǎn)生一定的應(yīng)力問題，其主要源自負(fù)載應(yīng)力及熱應(yīng)力，包含壓力波動(dòng)、振動(dòng)所引起的沖擊。在流體沖擊中，根據(jù)流體的沖擊反力造成。因此，應(yīng)力主要包含了熱換氣以及殼體之間的溫差，根據(jù)自身的局部溫度變化，很有可能出現(xiàn)溫度差異。在換熱器中，最常見的應(yīng)力腐蝕包含了應(yīng)力腐蝕以及氫腐蝕。

3.5.1 套管失效分析

套管失效分析中，將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕性冷卻器套管采用相關(guān)的切割方法進(jìn)行剖開。從施工過程中，其自身靠近管板端所指方向，可以看到套管壁發(fā)生薄弱，且在靠近腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域，有明顯的腐蝕減薄。因此，靠近管板處并沒有減薄，從宏觀意義分析，其未能有沖刷痕跡。對(duì)靠近管板處進(jìn)行取樣掃描，可以確保對(duì)管壁內(nèi)表面腐蝕性形貌進(jìn)行相關(guān)的制備分析。

3.5.2 金相分析

分析目前嚴(yán)重腐蝕的管板套腐蝕金相組織，可以得知其整個(gè)組織為鐵素體以及珠光體。金相組織正常，可以看到整體的軋制方向。因此，其腐蝕坑內(nèi)具有明顯的腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)分析，為了更為有效地確定腐蝕產(chǎn)物的具體成分，必須借助電掃描鏡進(jìn)行測(cè)試分析，并通過腐蝕性觀察發(fā)現(xiàn)腐蝕物產(chǎn)物是否有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

為了更好地確定腐蝕坑底部腐蝕產(chǎn)物的成分，并進(jìn)行電掃描鏡觀察分析腐蝕露出的掃描形象。通過掃描分析，可以得知套管表面有許多腐蝕口。因此，從微觀上可以看出明顯的沖刷痕跡，這對(duì)表面金相分析后其是否發(fā)生沖刷腐蝕提供了良好的借鑒。為了更好地分析表面的腐蝕層，可以將制備鏡像的剖面用于掃描鏡觀察，根據(jù)腐蝕層進(jìn)行分析，得出可行性方案。

3.5.3 套管腐蝕物分析

分析目前的套管腐蝕物，可以得知為了明確腐蝕產(chǎn)物的成分，對(duì)腐蝕坑進(jìn)行能譜分析?？梢詫?yán)重腐蝕薄弱處以及相關(guān)的管板腐蝕處進(jìn)行比對(duì)，以便對(duì)腐蝕處進(jìn)行能譜分析，以得知腐蝕層內(nèi)是否含有少量的“S”元素。

4 換熱器腐蝕因素影響分析

4.1 氯離子

氯離子是換熱器水介質(zhì)中普遍存在的腐蝕性陰離子，因此其循環(huán)水存在的氯離子會(huì)加快其碳鋼不銹鋼以及合金等金屬的局部腐蝕。如循環(huán)水中含有H2S，在酸性條件下生成的HCl和H2S極易溶于水，從而形成HCl以及H2S相互強(qiáng)化的輻射環(huán)境，形成循環(huán)腐蝕，其循環(huán)公式（1）所示。

4.2 鈣離子

目前，分析鈣離子、鎂離子以及重碳鹽酸水作為循環(huán)冷卻水時(shí)，其公式如下所示。

其循環(huán)冷卻水中還包含了SO42-、Si042-等離子，其會(huì)與Ca2+、Mg2+發(fā)生反應(yīng)，生成鋁硅鹽、酸磷鹽。當(dāng)這些難以溶解的鹽酸超過其溶解濃度時(shí)，就會(huì)在換熱表面沉積積垢。且由于水垢存在，將會(huì)降低換熱效果，很容易引起管束的垢下腐蝕，降低換熱管的使用壽命，影響換熱器的長(zhǎng)期運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，其冷卻板口如發(fā)生腐蝕減弱，出現(xiàn)腐蝕集中現(xiàn)象，可以分析周圍板孔是否出現(xiàn)硫銨堵塞。在高溫下，其沉積物硫銨容易發(fā)生分解，進(jìn)而與套管發(fā)生高溫腐蝕反應(yīng)，其管板最外周板管孔硫銨堵塞與噴頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，在該管板上設(shè)有中心噴頭，其管板最外為硫銨流速率，如硫銨流速率過低，會(huì)導(dǎo)致管板孔堵塞。因此，必須對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，將原來的1個(gè)噴嘴改為7個(gè)噴嘴，可以解決周圍管子硫銨流速較低的問題，解決管板孔腐蝕現(xiàn)象。