浅析换热设备腐蚀结垢与防护措施

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　　摘 要：换热设备作为能量传递的基础，对工业生产有着重要影响。在生产运行过程中，由于介质腐蚀、冲蚀、积垢、结垢等原因，造成换热设备的腐蚀结垢，使换热能力下降，换热效率降低，甚至损坏设备。本文对换热设备腐蚀结垢的机理及原因进行了分析，并结合生产运行中出现的腐蚀结垢问题，提出防护措施建议。
　　关键词：换热设备 腐蚀 结垢 防护措施
　　换热设备是工业生产的重要设备，在石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷和食品等领域被广泛使用，是保证加工过程正常顺利运行不可缺少的关键设备之一，也是重要的节能设备。
　　管壳式换热器是化工生产中应用最广泛的一种换热设备，其结构简单，坚固，制造容易，材料范围广泛，处理能力可变范围大，适应性强。
　　一、典型腐蚀形态及腐蚀机理
　　1.硫化物腐蚀形态及机理
　　硫的质量分数在0.5%以下时腐蚀性较弱，在0.5～1.0%时腐蚀性增强。不同介质所产生的腐蚀形态也不同，可分为高温硫腐蚀和低温硫腐蚀。常见的一些硫化物的腐蚀性有如下规律：二硫化物>烷基硫>硫化氢>硫醇>元素硫和噻吩。
　　低温湿H2S-HCN-HCI-H2O腐蚀是碳钢在碱性含硫介质中所发生的。腐蚀过程包括以下两个方面：在金属与腐蚀产物膜的界面处存在钢氧化的电荷转移阻力；Fe2+与H0通过腐蚀产物膜进行扩散的过程。这两个方面在腐蚀过程中是相互促进的。
　　2.局部腐蚀形态及机理
　　金属的局部腐蚀包括坑蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂等。在钝化金属和合金的坑蚀过程中，由于局部金属的溶解导致了空穴在钝化的表面区域形成。
　　为了进一步了解金属坑蚀的敏感性，常利用电化学方法对其进行研究。通过铁在硫酸溶液中的腐蚀-钝化过程，可以证明金属坑蚀过程中钝化膜破裂的非线性动力学现象，这种现象与坑蚀产生的机理和动力学密切相关。
　　二、换热设备结垢及产生的危害
　　1.换热设备结垢的危害
　　污垢是指在换热面上沉积的一层固态物质。换热设备结垢是传热中较难解决的问题之一，其结果可以导致传热效率下降，严重时可以造成换热管的完全堵塞和生产过程的非计划停产与维修，给工厂带来巨大的经济损失。因此，必须找出行之有效的措施来抑制和控制换热设备结垢。
　　1.1污垢热阻导致换热设备的传热能力下降（常常称为换热面积损失）；
　　1.2流通截面损失，在流量维持恒定的情况下，必然导致平均流动速度的增加，而且，增加摩擦系数和局部阻力系数的，因此，必然要引起整个换热设备流动阻力增大，为了维持换热设备的性能和传热量的不变，只有增大泵或风机的损耗功率。
　　1.3结垢使换热设备的流动阻力加大，导致了泵或风机的损耗功率增加；自动清洗设备的动力消耗，可使换热设备的能量消耗加大；而且由于污垢问题不能有效防止，使得某些特别脏的流体所具有的热能得不到再利用而白白损失掉；制冷循环由于污垢导致吸热温度降低和放热温度提高而引起的的热力学效率下降，所有这些都可归纳为燃料消耗的增加。
　　2.检测结垢换热设备热效率的方法
　　在天然气净化厂，许多情况下流体的流量或成分是随时间变化的，在特定的操作条件下，代表未结垢换热设备特征的总传热系数的值也是经常变化的。为了避免繁琐的结垢热阻值Rf的计算，可以采用一种简单的方法来检测结垢换热设备的热效率，该方法主要依靠三个简单的数学步骤：①使用换热设备入口和出口处的4个温度值确定出测量效率Ef。②通过考虑热容比率之商R或r以及流量的改变，计算出换热设备的估算效率Ed和Ec，反之，这个效率值又影响传递单元数。③将换热设备的估算热效率Ed和Ec及测量热效率Ef代人下式，得出换热设备的结垢百分数。
　　式中，Ec为未结垢换热设备的预测热效率，Ed为换热设备的估算热效率。
　　检测结垢换热设备热效率的方法是在假定传热介质的物理性能保持为常数的前提下得出来的，并且没有对物理性能发生变化后的介质进行研究。因此在将来的研究中，可以重点对传热物理性能发生变化后的介质传热进行研究，进一步得出更加可靠的检测方法。
　　三、换热设备腐蚀结垢防护措施
　　1.加强对设备腐蚀的控制
　　从换热设备的设计、制造、使用等方面采取有效的腐蚀控制措施，尽可能的减小腐蚀对设备和生产造成的影响。现有的控制腐蚀的方法主要有以下几种：
　　1.1根据设备使用的环境，正确地选用金属材料或非金属材料。
　　1.2对设备进行合理的结构设计和工艺设计，以加工、装配、贮存环节中的腐蚀。
　　1.3采用各种改善腐蚀环境的措施，如在封闭或循环的体系中使用缓蚀剂，以及进行脱气、除氧和脱盐等处理。
　　1.4采用电化学保护法，包括阴极保护和阳极保护技术。
　　1.5在设备基材上施工保护涂层，包括金属涂层和非金属涂层，以降低介质对设备的腐蚀。
　　2.加强循环水治理、提高传热效率
　　从检修过程中，换热设备结垢的情况可以看出，循环水水质处理还有待进一步改善。
　　水侧污垢热阻是评价循环冷却水系统处理优劣的重要数据之一，对总热阻有很大影响。因此，要加大对循环水处理装置的管理力度，改善循环水水质，减缓腐蚀速度，延长设备运行周期。
　　3.控制设备制造质量
　　根据装置中所使用的换热设备生产厂家进行统计，对换热设备的运行周期进行比较，选择运行周期比较长的厂家进行新设备加工。在制作过程中，进行现场监制，重要环节把关，有效地控制加工质量，延长设备运行周期。
　　四、结语
　　本文通过分析换热设备腐蚀结垢的机理及产生原因，并结合工厂换热设备在生产运行中出现的腐蚀结垢情况，总结提出了防护措施。但是，换热设备的腐蚀和结垢是一个需要长期探讨的课题，加强对腐蚀结垢的认识，广泛采用新经验、新方法，加强管理，才能逐步找到有效且经济的防护措施，确保生产的稳定、正常运行。
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