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热浸镀铝换热器在酸性水中的腐蚀分析

点击:2125 日期:[ 2014-04-26 21:57:47 ]
                        热浸镀铝换热器在酸性水中的腐蚀分析                                  罗春玲1,陈东升2     (1.抚顺职业技术学院,辽宁抚顺113006; 2.辽宁陆平机器股份有限公司,辽宁铁岭112001)     摘 要:某石化公司在酸性水汽提装置试用一台整体热浸镀铝换热器,经过12个月生产工况考验,抽出样机实际检测.结果表明,整体热浸镀铝换热器在含硫污水(通称酸性水)较苛刻的条件下,有较好的耐腐蚀性能.经腐蚀对比推算,其使用寿命比20#钢管束换热器使用寿命多4~5年,并经过一个使用周期后,热浸镀铝管束内外基本无结垢和堵塞,不需进行清洗和除垢.     关键词:热浸镀铝;管束;腐蚀     中图分类号: TG174·443    文献标识码: A    文章编号:1008-5688(2010)01-0094-03     某石化公司炼油厂由于水中含有大量腐蚀介质,因此汽提装置腐蚀破坏比较严重,尤其是环境恶劣时,个别碳钢换热器管束使用不到6个月就出现破裂问题,有的管束在不到一个大修周期里就被冲刷穿孔,有的管束在较短时间里被结晶沉积物堵塞,这不仅增加了维修费用,而且严重影响了正常生产. 2007年,该炼油厂大修后,决定在该系统内汽提装置中更换一台普通碳钢换热器,同时试用一台整体热浸镀铝管束换热器,这两台换热器经过12个月的工况运行后,在2008年7月进行了现场腐蚀情况检测,检测结果表明,整体热浸镀铝管束换热器比普通碳钢管束换热器的防腐性能有显著提高[1].     1 汽提装置中腐蚀介质成分和特征     1·1 腐蚀介质     该炼油厂各工艺装置排出的酸性水都需经过汽提装置排除水流中的污染物质.进入酸性汽提装置的酸性水,一般含有NH3、CO2、酸类、氰化物、有机物、硫化物,游离和溶解的油类等物质.其中,腐蚀介质主要是H2S、CO2、NH3和CN-等,以及它们之间发生反应生成的产物,如NH4HS和NH4HCO3等.该炼油厂某时段污水成分如表1所示,溶液的pH值在5·2~5·6之间.                      1·2 腐蚀部位及其特征     酸性水汽提装置腐蚀遍布整个装置,腐蚀严重部位在塔顶和回流系统,其腐蚀特征是: (1)均匀腐蚀和局部穿孔; (2) H2S、CN-等引起的应力腐蚀破裂和氢鼓泡.由于各种原因,酸性水中还可能在不同部位生成NH4HS、NH4HCO3或氨基甲酸氨结晶,造成设备堵塞.其中,塔顶部位腐蚀多是由于NH4HS等盐类、多硫化物以及腐蚀物的沉积造成的.     1·3 腐蚀主要因素     影响酸性水腐蚀主要因素是H2S的浓度和酸性水的流速.在CN-及CO2等存在下, H2S或NH4HS是造成腐蚀加重的主要原因:在H2S+Fe→FeS+2H+反应条件下,导致金属材料氢鼓泡开裂, FeS+2CN-→Fe(CN)2+S-2反应明显促进金属材料腐蚀; H2S与NH3反应生成NH4HS晶体,不仅依然是腐蚀性较强的介质,而且当NH4HS浓度高、流体速度大时,较耐腐蚀的材料也会有很高的腐蚀率.     2 热浸镀铝管束试用前的检查     2·1 外观检查     换热器管束常采用20#钢焊接制造,采用熔融熔剂法整体热浸镀铝[2].热浸镀铝层外观呈类似铝的银白色,光滑平整,无漏镀.管件的环焊缝、管板与换热管的角焊缝完全被铝密封,成为一个整体部件,变形量很小.     2·2 显微组织检查     截取部分热浸镀铝管束的管线做金相分析,渗铝后的20#钢母材显微组织如图1所示,母材中的黑色晶粒为珠光体,白色晶粒为铁素体,晶粒大小均匀,晶粒度为6级,符合管束使用技术要求.图2是热浸镀铝层附近的组织,依次为铝层、合金层、20#钢基体.合金层呈舌状嵌入基体组织.将莱卡金相图按1∶1比例打印出来,图上距离/放大倍数即为热浸镀铝层的实际厚度.经检验,其铝层平均厚度约为50μm,合金层厚度约150μm,总厚度约200μm,即热浸镀铝层的实际厚度约200μm.              3 热浸镀铝管束试用后的腐蚀检查     为了更好地比较热浸镀铝管束的耐腐蚀性能,同时对安装在塔顶部位的热浸镀铝换热器管束和另一台20#钢换热器管束进行了腐蚀检测,对H2S和NH3进行冷却,其工况环境基本相同.经大约一年试验后,同时对热浸镀铝换热器管束和普通碳钢换热器管束进行腐蚀情况检查.     3·1 外观检查     打开热浸镀铝换热器管束发现:进料口局部表面镀层被冲掉,露出合金层,其余部分为纯铝层,无腐蚀、堵塞,表面无积垢,绝大部分为纯白色.管束局部有轻微变形,不影响使用.焊口和缝隙仍由纯铝覆盖和钎钉密闭,无腐蚀和开裂.     检查普通碳钢换热器管束发现:全面出现黑色,堵塞严重,表面呈铁锈色,严重处已腐蚀起皮;局部有腐蚀坑,最深处达0·65 mm;平均基体腐蚀深度约为0·35 mm;焊口和缝隙处腐蚀明显,缝隙处已出现腐蚀脱落起皮现象,但无裂纹存在.     3·2 硬度检验     截取热浸镀铝管束的试样分别从热浸镀铝钢表面至钢基体做硬度测试,结果见表2, 20#钢管束的平均硬度为27HV,与热浸镀铝管束基体硬度接近,均符合管束技术要求从表2可以看到,表面铝层的硬度较低,向里为金属间化合物层,其硬度很高,在镀层和钢基体之间硬度逐渐降低,纯铝层和铁铝合金层组成了热浸镀铝层[3].硬度值满足换热器使用性能的要求.                       3·3 显微组织检查     图3是焊缝组织,可以看到铁铝合金层下的柱状晶分布的铁素体和珠光体.图4是热影响区组织,呈魏氏组织分布的铁素体和珠光体.图5 (见95页)是管的母材组织,无变化,未见晶粒长大,从图5可以看出母材有些脱碳,使得母材部分较软,但不影响材料的使用,因为母材外的铁铝合金硬度较高,具有较强的耐磨性.                                                                镀层和基体表层腐蚀深度: (1)换热管外壁,进料口处铝层冲掉,露出合金层,合金层厚度≥130 m; (2)其余部位,铝层仍存在,厚度平均为40μm,局部腐蚀量≤15μm; (3)换热管内壁,铝层厚度≥40μm; (4)管板,铝层厚度≥40μm.     普通碳钢平均基体腐蚀深度约为0·35 mm,最大深度为0·65 mm.     4 换热器管束腐蚀检测结果     经过检测发现,不同管束在相同时间里腐蚀状况明显不同,这说明整体热浸镀铝换热器管束比未经防腐处理的普通碳钢管束有明显优势.热浸镀铝换热器管束的腐蚀发生在热浸镀铝层,腐蚀量不大于15 m,即使管束的热浸镀铝层被腐蚀掉,管束也可以像20#钢换热器管束一样使用.在本次使用周期内,该炼油厂由于原油品质较好,工艺处理较先进,所以污水中所含腐蚀介质平均值较低, H2S平均含量3·357 8‰<4‰,氨—氮平均含量0·148‰<1·5‰, CN-含量也较低,所以装置处于轻微腐蚀状态.在这种情况下,应力开裂、氢鼓泡和腐蚀穿孔都没有产生,但是,如果污水中腐蚀物质增加或者加工高硫高酸值原油时,这些腐蚀情况就将在普通碳钢换热器管束中出现,那时整体热浸镀铝管束换热器的优越性将更加突出.根据经验,在相同工况环境下,碳钢管束能继续使用一年,届时即使不出现裂纹和穿孔,其均匀腐蚀也会使管壁平均减薄至原来厚度的一半以上,同时由于腐蚀物残留管壁表面,结晶物堵塞现象将更为严重,影响其换热效果,所以普通碳钢换热器管束使用寿命最多两年,而热浸镀铝换热器管束腐蚀比较缓慢,即使镀铝层破坏后,热浸镀铝换热器管束仍可以继续使用,这极大地延长了换热器使用寿命.     5 热浸镀铝层的抗腐蚀机理     通过分析热浸镀铝层可知:表面由低硬度的铝层组成;在铝层和基体之见,紧靠镀铝层的一侧通常会形成高硬度金属间化合物,它是多层结构.铝层的耐腐蚀性主要取决于在给定环境中铝层上所形成的三氧化二铝保护膜的稳定性.由于铝的钝化能力很强,它在水中及大部分的中性、弱酸性溶液以及大气中都有足够的稳定性,并能够形成高抗腐蚀性的三氧化二铝保护膜,防止腐蚀的继续发生[4].     6 结论     通过整体热浸镀铝换热器在该炼油厂的试验表明,其使用寿命比普通碳钢换热器有明显增加.普通碳钢换热器使用寿命一般不超过两年,在腐蚀环境比较恶劣的情况下,仅为一年,而整体热浸镀铝管束换热器由于镀铝层的存在使腐蚀速度明显降低,至少可以使使用寿命延长四年以上.因此可以说,整体热浸镀铝换热器是一种耐蚀性能全面、综合性能优良、性价比较高的换热器产品.     参考文献:     [1]秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社, 2003.     [2]李玮,刘顺华,顾明元.热浸镀铝钢丝镀层组织结构及性能分析[J].腐蚀与防护, 2003, 24(12): 527-530.     [3]王克武.碳钢表面热浸镀铝[J].表面技术, 1995, 24(4): 21-25.     [4]宋世昆,刘顺华.热浸镀铝钢丝组织和性能的研究[J].机械工程材料, 2002, 26(2): 17-19.(审稿人 王心满,责任编辑 于 海)
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