换热器腐蚀分析及工艺对策
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【摘 要】换热器是现代生产中比较常用的设备，在实际应用中，由于一些因素的影响，容易发生腐蚀的情况，进而影响生产安全和生产质量。要积极应用现代物理测试技术，对腐蚀产物的元素成分、结构、微观电子显微形貌等加以了解，明确腐蚀原因和机理，进而采取有效的工艺对策，减少和预防换热器腐蚀现象，以确保生产安全。
【关键词】换热器;腐蚀原因;腐蚀机理;防腐蚀对策
前言：很多生产企业中都会应用到换热器，例如化工企业对换热器的应用就比较多。以某化工企业裂解装置中压缩工段的段间换热器为例，采用了Ф20×2mm的碳钢管为循环水，管壳裂解气，在40-90℃环境下工作。运用压缩机注水降温技术，运行后发现碳素钢管出现很多腐蚀穿孔现象，导致换热器不能使用。对此，采用先进的方法检测腐蚀情况，进而采取有效的防腐蚀工艺对策。
一、换热器腐蚀检测方法和结果
开展换热器的腐蚀检测，首先检验工艺水的成分，其中总硫含量为53.9mg/L、氯离子含量为13.4mg/L、总铁含量为54.6mg/L、氨氮含量为9.3ug/L。观察腐蚀的碳钢管线表面情况，在现场截取碳钢管线，同时考察腐蚀环境，了解腐蚀形态，观察和分析宏观腐蚀状况。通过外观鉴定能够发现，上部进口位置比中下部腐蚀情况更加严重。截取腐蚀管线后勘察其表面，发现腐蚀穿孔的方向，主要是从外向内的，说明腐蚀来源是在管外壁上。腐蚀形态中局部孔蚀居多，截取管线长度25cm，腐蚀穿孔有很多，同时有黑褐色锈层附着表面。通过检测发现，管外壁上的孔长宽分别是6mm、5mm，关闭厚度2mm，已经完全穿透，同时穿孔附近也有很多腐蚀深坑，存在严重的局部小孔腐蚀，呈现出溃疡状，管束局部甚至成片起皱和剥离[1]。管内壁孔表面有黄褐色整体锈层，部分锈层已经脱落起皱，不过孔边缘相对光滑，可判断是均匀锈蚀。所以，得出结果为蚀孔源在管外壁，腐蚀方向是从管外向管内递进。
采取物理测试检测穿孔位置的腐蚀产物，利用现代物理测试技术，得到腐蚀产物结构、微观电子显微形貌、腐蚀产物元素成分等，以判断分析腐蚀原因和腐蚀机理。主要采取X射线衍射分析、电子能谱分析、扫描电镜观察等方法，对腐蚀部位和穿孔部位表明进行检测。通过扫描电镜检测能够得出，管外壁孔蚀表面，在蚀孔外侧表面，具有间断不连续的锈层，同时沿锈层有腐蚀沟槽花样痕迹出现，表面为絮状花样、疏松、粗化。管内壁孔蚀表面，管内壁表面有疏松、凹凸不平、粗糙的銹层，有危险颗粒状物局部存在，有严重的锈蚀。通过电子能谱检查发现，管外壁蚀孔表面，主要含有镁元素、氯元素、铁元素、钙元素、硫元素、氧元素、碳元素等成分;管内壁蚀孔表面，主要含有锌元素、铁元素、钙元素、硫元素、钠元素、氧元素、碳元素等成分[2]。X射线衍射检测结果显示，在管外壁的孔蚀表面中，主要的化合物成分碳酸钙、氢氯化镁、水喝硫酸镁、铁氧化合物、铁碳氢氧根缓和无、铁碳化合物、α碳铁化合物、铁硫化合物等;管内壁的孔蚀表面中，主要含有氧化锌、钠钙碳酸根化合物、铁硫化合物、铁氧氢氧根化合物、水合氧化铁、钙铁氧化合物、三氧化二铁、四氧化三铁等。
二、换热器腐蚀原因和机理分析
经过检查能够发现，段间换热器的壳程腐蚀，是一种硫化氢-氯化氢-水的典型腐蚀体系，根据X射线衍射、能谱分析结果来看，可知正是这一体系构成和控制了段间换热器壳程腐蚀的发生。介质中的氯离子、硫化氢等，在腐蚀过程中都发挥了作用。监测表明凝结水中总铁离子含量为54.6mg/L，可见铁离子含量比行业标准高很多，说明面临严重的腐蚀情况。通过工艺介质流程成分研究，有一氧化碳-二氧化碳-水的腐蚀体系存在，低合金钢及碳钢等在其中，水中二氧化碳溶解生成碳酸，能达到3.3的pH，同时一氧化碳存在于体系中，可在金属表面吸附，发挥缓蚀剂的效果，避免碳酸造成钢材全面腐蚀。如果此时有应力，晶格之间滑移，产生表面台阶，新生面漏出，金属溶解为新生面，成为阳极，而周围一氧化碳吸附层是阴极，会使碳钢设备加速腐蚀[3]。检测结果碳酸盐等腐蚀产物并不存在，可能是由于工况下腐蚀产物被冲刷掉。
通过腐蚀形貌，可分析冲击腐蚀，观察段间换热器总体腐蚀状况及分布情况，上部比下部腐蚀严重，呈现出典型的沟壑、山谷的形态，因而可判断为冲击腐蚀。通过腐蚀产物，分析段间换热器管程腐蚀，是典型溶解氧腐蚀，阳极铁释放电子成为铁离子的，阴极水和氧气吸附电子形成氢氧根离子，铁离子和水会生成氢氧化亚铁离子和氢离子，氢离子吸收电子产生氢气，氢氧化亚铁离子和氢离子则会产生氢氧化亚铁和水[4]。这就是整个腐蚀过程。此外，内测产物中的总硫含量较高，有硫酸盐还原菌等微生物腐蚀条件。循环水一般是32-42摄氏度的温度，同时水中还有油类、磷类、氮类等物质，能够为微生物生产提供养分。能接受到日照的位置还会产生大量藻类，不能接受到日照的位置则会繁殖大量细菌，产生黏泥。这些因素都会使换热器冷却效果下降，进而发生微生物或垢下腐蚀。
三、换热器腐蚀预防的工艺对策
结合换热器腐蚀的原因和机理，需要采取相应的工艺对策进行预防。由于材质无法更换或没有必要更换，所以主要从工艺方面入手。对工艺操作进行优化，使裂解气当中带液量减少。对壳程进行牺牲阳极的阴极保护措施。段间换热器严格控制壳程冷凝水pH值，保持在6.0-7.5之间比较理想。如果pH值在6以下，会加强氯化氢的腐蚀作用;如果pH值在8以上，会加强硫化氢的腐蚀效果，而且腐蚀速度和pH值的高低也有关系，所以要加以注意。可以应用一些缓蚀剂，例如有机胺类工艺缓蚀剂等[5]。对凝结水pH值有效控制，使其不超出6.0-7.5的区间，根据国内外乙烯装置的设备防腐蚀经验，如果利用无机胺中和剂，对凝结水pH值难以达到理想的控制效果。所以应用有机胺作为缓蚀剂和中和剂应用，可以取得更好的效果。对这部分的设备监测加以强化，由于应用现状下凝结水中铁离子超标情况严重，并且设备使用寿命只有1年，所以要详细调查系统设备及管线腐蚀情况，对设备监护工作进一步强化，采取工艺防腐加强、必要定点测厚等方法，对设备腐蚀情况随时了解和有效控制。
四、结论
换热器腐蚀的发生，主要是由于工艺水中的铁含量、总硫含量、氯离子含量过高所致，因此可以判断系统腐蚀类型主要是硫化氢-氯化氢-水这种腐蚀类型。勘察腐蚀穿孔管表面，可见局部孔蚀为主要腐蚀形态，腐蚀穿孔方向是从外向内，碳钢管主要是在管外壁，也就是工艺侧存在孔蚀源。利用X射线衍射分析、电子能谱分析等现代物理检测技术，能够发现管外壁表面存在大量硫元素，其在腐蚀过程中有所参与，同时主要在外层工艺侧发生腐蚀情况。对此，采用工艺操作优化、壳程阴极保护，添加有机胺类工艺缓蚀剂等，达到理想的防腐蚀效果。
参考文献：
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[5]卢亚昆，魏月娥.乙烯装置工艺水汽提塔系统换热器结垢原因分析及对策[J].乙烯工业，2016，28（3）：34-38.
作者简介：
李冲 学历：本科。
（作者单位：广东万家乐燃气具有限公司）
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