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换热器清洗技术
杨晓良
(西安邦洁清洁有限责任公司,陕西西安710061)
摘 要:结合换热器清洗工程实例,详细全面的介绍了换热器清洗工艺流程,主要包括清洗药剂的选择及配方、清洗系统方案的建立、清洗的具体步骤、清洗检测评定办法、清洗效果评价。实践证明此清洗流程清洗效果好、操作费用低,对从事化学清洗行业人员来说,具有很好的参考价值。
关键词:换热器清洗;氨基磺酸酸洗;水冲洗;漂洗;钝化
中图分类号: TQ051·5 文献标识码:B
文章编号:1671-8909(2010)08-0014-07
1 概述
换热器是一种结构紧凑、高效的换热设备,被广泛应用于冶金、石油、制药、船舶、纺织化工、医药、食品等行业,是实现加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备。但是,由于换热器长期运行,用来冷却或加热侧纯净程度的不同以及工艺介质本身性质的差异导致换热器结垢已成必然,同时因换热器本身结构特点及规格型号的不同,导致结垢程度也不一样,结垢后使内部通道截面变小甚至堵塞,造成换热器换热效率降低,从而影响生产的正常进行和设备的安全。因此,换热器应定期进行清洗,除掉污垢,以保证换热器的高效换热和生产的正常进行。在结垢严重、成分复杂的情况下,一般普通的物理方法不易清洗,且拆洗过程费时费力,本文针对换热器着重研究了化学清洗的工艺,此工艺简单,费用相对物理清洗可能较高,但省时省力,处理效果相对较好,应用很多。
2 换热器结垢分析及清洗
2·1 结垢原因
结垢原因主要有3种情况: 1)因为常用换热器换热器大多是以水为载热体的换热系统,由于某些盐类在温度升高及浓度较高时从水中析出,附着于换热管表面,形成水垢,随着使用时间及频率的增加积垢层逐渐变厚、变硬,紧紧地附着于换热管表面上; 2)如同水垢一样,换热器的另一侧流体由于物质本身的性质可能出现非水垢类固体析出物,长期不处理会越来越多积累在换热管面; 3)当流体所含的机械杂质有机物较多而流体的流速又较小时,部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积,形成疏松、多孔或胶状污垢。
2·2 结垢种类
对于常用的换热器而言。根据结垢机理,我们一般将结垢分为以下几类:
(1)类析晶结垢:如水冷却系统,由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH等变化而从水中结晶沉积在换热器表面,而形成了水垢;
(2)粒结垢:流体中悬浮的同体颗粒在换热面上的积聚;
(3)化学反应结垢:由于化学反应而造成的同体沉积;
(4)腐蚀结垢:换热介质腐蚀换热面,产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢;
(5)生物结垢:对于常用的冷却水系统来讲,工业水巾往往含有微生物及其所需的营养,这些微生物群体繁殖,其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢;
(6)凝同结垢:在过冷的换热面上,纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝同沉积。以上的分类只是表明某个过程对形成该类污垢是一个主要过程。结垢往往是多种过程的共同作用结果,因此换热面上的实际污垢,常常是多种污垢混合在一起的。
2·3 影响结垢因素
影响结垢的因素有很多,如流体速度、流体流动状态、流体组分的组成和含量以及换热器的结构等都对污垢的形成有一定的影响,从应用角度考虑,我们只有找出主要因素才能使结垢问题得到有效解决。对于某一流体而言,影响换热器结垢的主要因素有以下几个方面:
(1)流体的流动速度:在换热器中,流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响,对于各类污垢,由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著,所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中,流速的增加将增大能耗,所以,流速也不是越高越好,应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。
(2)传热壁面的温度:温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用,流体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大,从而对污垢的沉积量产生影响,导致污垢增长率升高。
(3)换热面材料和表面质量:对于常用的碳钢、不锈钢而言,腐蚀产物的沉积会影响结垢;而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料,则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积,表面粗糙度越大,越有利于污垢的形成和沉积。
2·4 一般换热器清洗的部位
因为换热器大多是以水或蒸汽为载热体的换热系统,故在清洗时划分为水(蒸汽)侧及介质侧,最为普遍常见的换热器是列管式换热器,主要清洗其管程或壳程。
2·5 结垢不清洗的危害及影响
2·5·1 结垢使设备热交换效率大幅下降,能源消耗大幅增加,生产成本上升
热交换设备中结生的污垢,随着化学成分的不同,其导热系数也有较大的差异。污垢的导热系数一般在为0·4 ~0·6kcal/(m·h·℃)之间[1]即0·464~0·696W /(m·K),仅为钢铁导热系数的1/40~1/80。是铜导热系数的1/300。也就是说, 1mm厚水垢的传热能力和40~80mm厚钢板、300mm厚铜板差不多。
由于污垢的导热系数极小,结垢会严重影响热交换设备的传热性能,使生产能源消耗量大幅度上升。国内外大量热工试验结果表明,设备传热表面积结1mm厚水垢,热交换设备就会多消耗8% ~10%的能源。也就是说, 1mm厚的水垢,可以使燃煤锅炉多烧10%的煤炭,从而导致工业产品生产成本费用大幅度上升。
2·5·2 结垢使换热设备热传导工况恶化,传热面超温过热,引发鼓疱、裂纹、爆管等安全事故由于污垢的传热能力级差,设备传热面结垢后,高温侧的温度不能被快速传导到低温介质中,使传热面金属壁温持续上升并达到蠕变温度。当金属壁温达到或超过蠕变温度后,金属的机械性能(如韧性、塑性)明显恶化,抗拉强度、抗压强度大幅度下降,很容易被高温烧损变形。在设备带压运行的状态下,过热管壁因耐压强度大幅下降而出现鼓疱、裂纹、泄漏甚至爆管的运行安全事故。根据国内部分省市技术监督部门的统计,锅炉事故中因结垢和水质引起的事故占到了60%以上。
2·5·3 结垢会引发垢下腐蚀损伤,造成设备穿孔泄漏,缩短设备使用寿命
热交换设备传热面结生的水垢,其密度、厚度和化学组成通常呈不均匀状态,这种不均匀的污垢覆盖,造成了金属表面电化学不均匀性,很容易引发电化学腐蚀反应。结垢还会使水中的某些腐蚀成分如H+、OH-、Cl-、Mg2+、S2-等在垢下金属面富集并产生化学腐蚀反应。腐蚀的结果是局部金属被损伤减薄,腐蚀可以达到穿透设备钢板,使设备泄漏、破损甚至达到失效的程度,从而使设备维修费用增加。腐蚀严重时,会使设备提前报废。
2·5·4 结垢会使生产工艺不稳,影响产品品质,引发质量事故
热交换设备结垢后,由于传热效率下降,会导致设备的加热或冷却工况恶化,进而影响到生产工艺过程,仪表指示失灵,温度压力指标偏离工艺设计要求,设备运行参数发生改变,生产工艺不稳,最终使产品的产量和质量下降,次品率增加。严重时还可能中断生产,造成计划外停产。
3·清洗方法
根据清洗方法的不同,主要清洗方法为物理清洗和化学清洗。利用力学、声学、光学,电学、热学的原理,依靠外来能量的作用,如机械摩擦,超声波、负压、高压冲击,紫外线,蒸汽等去除物体表面污垢的方法叫物理清洗;依靠化学反应的作用,利用化学药品或其它溶剂清除物体表面污垢的方法叫化学清洗。如用各种无机或有机酸去除物体表面的锈迹、水垢,用氧化剂去除物体表面的色斑,用杀菌剂、消毒剂杀灭微生物并去除霉斑等。物理清洗和化学清洗都存在着各自的优缺点,又具有很好的互补性。在实际应用过程中,通常都是把两者结合起来使用,以获得更好的清洗效果。 4·清洗剂的选择
工业清洗剂的选用原则为: (1)良好的去污能力; (2)对清洗对象无不良影响; (3)质量稳定; (4)价格低廉。
国内外工业清洗剂品种繁多,但没有万能型的清洗剂,一般均为专用型,应针对清洗对象的材质、清洗要求的不同,污垢的不同等,最好应作工艺试验,才能选用。但在选用时应综合考虑并研究分析以下几点:
(1)清洗剂的主要成分;
(2)清洗剂各项物理性能;
(3)清洗剂的主要特征及注意事项;
(4)清洗剂的适用范围(主要用途,污垢对象等);
(5)清洗剂的清洗条件,方法与实施可能性;
(6)排液与废液处理方法;
(7)清洗剂的成本;
(8)有关清洗的法规等。
4·1 换热器清洗的药剂选择
清洗换热器时首先确定好清洗部位,确定好换热器材料,取样分析后,根据换热器材质及结垢程度选择试剂,对于碳钢材质以碳酸盐垢及铁锈为主时,一般选择盐酸做主酸洗液效果较好,出于安全考虑也可选择有机酸氨基磺酸做为主洗酸剂;对于不锈钢来说一般选择硝酸为最佳清洗酸剂,同样出于安全角度考虑式根据实际情况也可选择酸性温和的氨基磺酸作为主洗酸剂。在一些特殊情况下,主要是指清洗材料可能存在缺陷或者比较薄或者其他的特殊情况时,就要慎重考虑,比如清洗铜材料换热器时候,一定要注意是哪种铜材质。黄铜尤其要注意,黄铜主要成分为铜,其次锌的含量相当高,为了防止“脱锌”现象发生,对酸洗液选择尽可能浓度较低,一般缓蚀剂同时保护铜、锌两种金属效果较差。故在操作过程中采取温和清洗方式,即低浓度、短时间、小流速,常温清洗比较好。一般缓蚀剂选择Lan-826即可,对于其他助剂,如表面活性剂、黏泥剥离剂、发泡剂等可根据清洗剂选择原则结合具体情况选择,此处不再叙述。
5·清洗前准备工作
1)了解换热器的结构规格。材质、容积、性能、介质、工艺条件、使用情况和清洗范围等,查看设备有无变形、堵塞、泄漏等异常情况。
2)掌握设备的结垢腐蚀程度。采集垢样并进行垢样化学成份的全分析和溶垢试验。
3)查看公用工程条件状况,具体:水、电、蒸汽、氮气等规格及数量能否满足清洗需要,接点位置及距离泵站距离。
4)废液的处理要求及排放地点。
5)清洗现场有无交叉作业,地面状况、照明情况,清洗泵站和清洗原料的具体位置摆放。
6)根据具体清洗现场状况确定清洗过程中是否需要特殊工具仪器。
7)根据分析和实验结果。选择合适的化学清洗工艺条件。
8)进行清洗系统的设计。根据具体情况,把被清洗部分与其它部位隔开;寻找合适的清洗荆进出口和排污口设计临时的连接管线和监测管线。
9)根据所确定的清洗工艺和系统设计,进行备料。包括清洗设备和材料、化学药品、分析监测仪器和操作工具及安全防护用品等。
6·清洗准备
因为换热器大多是以水或蒸汽作为载热体的换热系统,故在清洗时分为水(蒸汽)侧及介质侧,最为普遍常见的是列管式换热器,主要清洗其管程或壳程。以下以某厂换热器清洗为例说明清洗过程。
6·1 换热器垢样成分
对换热器垢样样品进行实验,得知其垢样成分为: CaCO3及MgCO3: 46%;硅酸盐: 5%; Fe3O4:18%;Fe2O3: 15%;生物黏泥: 10%;其它: 6%。
6·2 药剂选择
根据化验结果进行换热器壳程清洗,药剂选择根据实际设备及结合文中药剂选用原则选择药剂,设备为碳钢,使用4年以来未曾清洗过,且换热器相连外部碳钢材料表明腐蚀严重,故从安全考虑,主酸洗剂选择氨基磺酸,其他助剂详见以下清洗过程中清洗工艺。
7 清洗过程
7·1 清洗系统的建立
本系统采用充满循环方式清洗,加料清洗时,清洗液从泵站出来进入换热器壳程后出来返回至泵站,水冲洗时切换进出口反冲洗,详见图1所示。
7·2 清洗前的准备工作
7·2·1 公用工程条件
水:消防水或自来水5m3/h;电: 380V 10kW;220V 100W;蒸汽: 0·5MPa。
7·2·2 清洗前准备及确认工作
清洗范围:换热器壳程(水-蒸汽侧);设备材质:换热器壳程碳钢,管程不锈钢;工艺条件:壳程走冷却水及加热蒸汽,设备壳程水总容积1m3;设备结垢:以无机盐垢、生物泥、铁锈为主;设备问题:设备使用4年无堵塞泄漏现象,无重大障碍检修记录;清洗现场:现场药剂及操作设备存放布置方便,无交叉作业,可方便清洗;安全要求:严格遵守厂方安全管理制度,严格清洗操作规范;废水处理:甲方具备污水处理系统,故协商由甲方处理清洗废液。
7·3 化学清洗步骤及监控检测分析
根据检测结果及结合现场实际结垢程度,尽可能保证安全且能够达到清洗干净的目的,采用以氨基磺酸为主,另适当添加表面活性剂、黏泥剥离剂、发泡剂等药剂,配置清洗液。
清洗操作程序为:水冲洗—酸洗—水冲洗—漂洗—钝化—水冲洗—检查清洗结果。
7·3·1 水冲洗
目的:酸洗前的水冲洗是为了掀去系统中的泥沙和疏松的水垢等杂物。并且进行试压检漏。操作:先以高位注满,同时调节系统压力,达到水压试漏的目的后,从低位排放。冲洗速度不低于1·5m/s。直到冲出水清澈基本无杂质,并且全系统无泄漏,冲洗结束。
检测:目测清洁度即可或检测(出水浊度差小于5mg/L时结束)。
7·3·2 酸洗
操作:配好清洗液并蒸汽混合加热至55℃,酸洗液以一定流速循环流动,流速一般控制在0·05~0·5m/s,最高不超过1m/s,酸洗温度不大于60℃。每问隔30min,分析测定酸质量分数和Fe离子浓度,并挂腐蚀试片测量金属的腐蚀速度。酸洗系统见图1。当酸质量分数在1·5%以上。两次酸质量分数分析结果的差值小于0·2%或pH基本无变化。铁离子浓度最终稳定基本无变化,且无二氧化碳气泡产生时,酸洗即可结束。
清洗工艺:复配酸液3% ~4%;缓蚀剂0·2% ~0·3%;黏泥剥离剂4% ~6%;温度50~55℃。
分析项目:腐蚀挂片:清洗前后检测;
酸质量分数测定: 1~2次/h(接近终点时至少1h检测2次);
数据记录如表1所示(取每小时数据供参考)。
7·3·3 水冲洗 目的:酸洗后的水冲洗是用清水迅速将废液顶出。
操作:切换进出管口(高进低出),顶压速度≥1·5m/s,高位注入。低位排放,要求冲洗至透明,无悬浮杂质, pH 4~5,ρ(Fe2++Fe3+)<30mg/L,由于酸洗过程中已将水垢、锈层除去。金属界面又处于十分活泼的状态,因此,冲洗时间越短越好。
检测:目测清洁度(清澈透明即可),检测pH>4,ρ(Fe2++Fe3+)<30mg/L,即可结束。
7·3·4 漂洗
目的:清洗后金属界面处于十分活泼的状态,很容易生锈,漂洗就是去除系统内新生浮绣,为下一步钝化打好基础。
操作:高进低出,漂洗液反洗,当酸浓度基本不变,冲洗结束。
清洗工艺:漂洗液(柠檬酸)质量分数: 0·3%;pH: 3~4;温度: 80~85℃;时间: 4h;缓蚀剂质量分数: 0·2%。
分析项目:检测酸浓度不变漂洗结束。
7·3·5 钝化
钝化是对处于活性状态的金璃表面进行保护,使其生成一层钝化膜,避免重新氧化产生二次浮锈。用亚硝酸钠或磷酸兰钠均可作为钝化剂,最好的钝化剂是亚硝酸钠,但是亚硝酸钠的大量排放会造成环境污染。考虑这一因素,采用效果稍差的磷酸三钠作钝化剂是较为合适的。
目的:防止酸洗后处于活性状态的金璃表面再次产生腐蚀。
操作:漂洗液温度调整到钝化温度后,直接加入钝化液钝化,达到钝化时间后结束。
清洗工艺:钝化液质量分数: 2% ~3%;温度: 80~85℃; pH: 9~11;时间: 8h;流速: 0·1~0·3m/s或钝化液均匀后浸泡。
7·3·6 水冲洗
钝化结束后,排出钝化液,用清水冲洗至系统中pH 8~9。
清洗结束时,除垢面积应达到原垢覆盖面积80%以上,表面清洁,并形成良好的钝化膜,无小孔腐蚀。其腐蚀速度的平均值均在6g/(m2·h)以下,满足HG/T 2387—2007工业设备化学清洗质量标准要求,详细数据见7·7·1。
7·4 清洗验收及设备复位
1)联系厂方验收人员,现场验收清洗工作;
2)连接法兰,设备恢复到正常运行状态。
7·5 废液处理及排放(双方协商确定处理方)由甲方进行处理,严格执行国标化学清洗废液处理GB8978—1996《污水综合排放标准》。
7·6 清洗质量标准
参考行业标准HB/T2387—2007工业设备化学清洗质量标准,要求:
1)除垢率及洗净率:除垢率及洗净率>90%[2];
2)腐蚀率:碳钢腐蚀率<6g/(m2·h)[2];不锈钢腐蚀率<2g/(m2·h);
3)钝化率: 98%。
7·7 清洗评价
清洗完毕,打开上下连接管口,可直观的看到不同洁净度的列管表面,管表面清洗干净(见图2),然后进一步做钝化,膜均匀致密、光滑、完整,清洗剂钝化完好。但也有清洗不尽完美之处,因列管排列紧凑,列管夹缝还有少量絮状藻类杂物存在,这种情况可以准确地说藻类已经被剥离但没有被冲出,属于挂壁现象,可在正常运行后随着水流慢慢带出系统。
7·7·1 清洗腐蚀监测
加入清洗剂前,挂入碳钢及不锈钢试片于水系统中(滤网处,沿水流方向放置),清洗结束后取出,本清洗为确保检测腐蚀准确性,相同挂片采用3片,以碳钢挂片为例,碳钢腐蚀速率1号试片1·98g/(m2·h); 2号试片1·88g/(m2·h); 3号试片1·92g/(m2·h),在HG/T 2387—2007《工业设备化学清洗质量标准》中碳钢腐蚀率<6g/(m2·h)即为合格,本次清洗平均腐蚀率为1·93g/(m2·h),说明清洗过程中腐蚀是轻微的。
7·7·2 清洗前后正常运行冷却效果对比
清洗前后冷却水出水温度有较大变化,清洗前为: 43~47℃,清洗后为66~71℃;冷却时间也由清洗前的15h变为8h。可以看出冷却同等量清洗时间缩短了7h,从节约能源、工作时间及运行效率来看明显得到改善,通过总体的运行效果来看本次清洗非常成功,同时也再次说明换热器的定期清洗势在必行。
7·8 注意事项
1)进行酸洗前,要认真检查换热器是否有泄漏,如有则事先修补,以免清洗时损漏药品,若发现管子堵死,一定要疏通后方可加药。否则被堵死的管予洗不净,重冼又增加成本,费时费力。
2)换热器顶部应设排气管,以使将清洗过程中产生的气体排掉。防止产生气阻现象。
3)将酸洗液注入换热器时如发现换热器内反应强烈,有大量泡沫冲出,应停止加入酸液;必要时可向换热器内通入冷水,缓和作用速度,以阻止酸液外流。
4)酸洗时,若酸洗液中Fe3+离子含量达到500mg/L。实际操作中含量达到300mg/L时就应加入适量的亚硫酸钠、氯化亚锡或次亚磷酸等强还原剂。尽可能确保安全,添加量可按化学反应式计算或按预先进行的小型试验确定。
5)清洗泵入口或清洗液回流口装设滤网,滤网孔径应小于5mm。
6)清洗系统内含有铜、不锈钢部件的阀门、计量仪表管等。在酸洗前拆除、封堵或更换。
7)为了确保清洗效果·在设计清洗系统时,最好能考虑进行反循环清洗。
8)清洗系统中应有温度、压力测量仪表及化学分析采样点、府蚀监测点等。
8·结束语
本文主要结合工业清洗的基本程序,着重以换热器清洗为例,从化学清洗原理角度出发,介绍了常见换热器化学清洗药剂的选择原则。因药剂选择不当会导致被洗设备或材料的腐蚀损坏,或者造成清洗污染等危害,故对化学药剂选择尤为重要。
结垢对换热器的危害的确很大,需要积极地预防和定期地清除。影响结垢的因素很多,只有找主要因素才能使问题简化,对于不同类型的结垢,应采取针对性的采取清除措施,有效地治理换热器的结垢问题,以提高换热器传热效率及运行寿命。
参考文献
[1]张世浩·换热器表面水垢的清洗[J]·河南化工,1991·22(7): 24-27·
[2]化学工业机械设备标准化技术委员会·HG/T 2387—2007工业设备化学清洗质量标准[S]·北京:中国国家发展和改革委员会发布, 2007·
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