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工业用水对E-301换热器的腐蚀及保护点击：1847 日期：[ 2014-04-26 21:58:02 ] |
| 工业用水对E-301换热器的腐蚀及保护 郝起 （中国石化股份有限公司天津分公司，天津300271） [摘要]介绍了换热器腐蚀的机理及防腐蚀的方法，以某石化公司换热器封头隔板腐蚀为例，着重介绍了牺牲阳极保护的方法以减少对设备本体的腐蚀。 [关键词]换热器；腐蚀；电化学；牺牲阳极保护 [中图分类号]TQ 050.9[文献标识码]B[文章编号]1003-5095(2009）11-0056-03 换热器在石油化工行业中的应用十分广泛,其重要性也是显而易见的，换热设备利用率的高低直接影响到石油化工工艺的效率以及成本的费用问题。据统计，换热器在化工建设中约占投资的1/5，换热器的利用率及寿命是值得研究的重要问题。从换热器的损坏原因来看,腐蚀是十分重要的方面,而且换热器的腐蚀是普遍存在的,解决好腐蚀问题,是解决换热器损坏的根本。引起腐蚀的因素很多，机理也各不相同。重要的是，应该对具体对象进行正确的判断，开展较全面的化学和电化学分析，提出并采取合理的技术措施。 换热管材料有不锈钢、铜镍合金、镍基合金、钛和锆等,除了工业上不能使用焊接管的情况以外都使用了焊接管,耐蚀材料仅用于管程,壳程材料基本上为碳钢。本文以某企业换热器封头腐蚀失效为例,查找腐蚀原因，剖析腐蚀机理，并在此基础上提出了具体的防腐蚀对策。 1 问题及原因分析 1.1问题 某石化厂在设备大修过程中对管程介质为冷却水的31台换热器进行了检查并清洗，在对汽提塔塔顶物冷却器E-301检查时发现，该换热器外观无腐蚀痕迹，管箱内有黄褐色锈蚀，垢样疏松，隔板上有淤积的沙粒锈末，隔板密封面已经腐蚀有凹坑，管箱隔板出现了不同程度的腐蚀减薄情况，隔板密封面由于冲刷腐蚀已经出现波纹状。经过测量最薄处达1 mm，此隔板的标准厚度为10 mm，见图1和图2，E-301设备技术参数见表1。 1.2原因分析 金属腐蚀是指在周围介质的化学或电化学的作用下,并且经常是在物理、机械或生物学因素的共同作用下对金属产生的破坏,也即金属在它所处环境的作用下所产生破坏。循环水的腐蚀一般都是综合性，金属材料在工业水中常见的腐蚀破坏形式主要有孔蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀和电偶腐蚀，这里只简单介绍一下电化学腐蚀。电化学腐蚀：金属的电化学腐蚀就是金属和周围介质作用变成金属化合物的过程，其实质就是金属和介质发生了氧化还原反应。由于工业水是电解质溶液，因此对具有不同腐蚀电位的金属，就会形成浓差电池，若这两种或几种金属联合在一起，就可能产生电化学腐蚀。通过放出电子的氧化反应（金属原子被氧化）和吸收电子的还原反应（氧化剂被还原）的相对独立而又同时完成的腐蚀过程被称作电化学腐蚀。如图3所示，在腐蚀科学中，将金属放出自由电子成为阳离子的反应称为阳极反应，而把接受电子的还原反应称为阴极反应。金属上发生阳极反应的表面部位称为阳极区，发生阴极反应的表面部位称为阴极区。 腐蚀过程中阳极反应的通式： 式中M表示金属原子，Mn+为金属离子，n表示放出的自由电子数，即金属的原子价。氧化反应使金属的氧化数增高。 阴极反应表示溶液中能吸收电子的去极剂（以D表示），可以减少极化的物质叫去极化剂（氧和其他物质），在阴极区获得来自阳极的自由电子所发生的还原反应，其通式： 上述通式可简要说明金属发生腐蚀的过程。以铁为例： 即Fe2+、Fe3+在H2O及O2作用下生成FeO、Fe3O·4n H2O、Fe2O3。 其中①和②的反应既是同时发生，又是相对独立进行的，即反应①中的Fe原子并没有同反应②中的氧分子直接接触。如反应方程式所示：首先铁原子被氧化成离子进入溶液中，所释放出的电子与氧分子结合使氧还原，这是直接产生的腐蚀产物，从金属表面进入溶液的Fe2+和OH-称为第一产物；接着这两种离子在溶液中扩散、相遇，通过反应③生成的腐蚀产物FeO、Fe3O·4n H2O、Fe2O3称为二次产物。 结合以上的原理分析，对E-301的腐蚀进行了垢样成分分析和二次循环水水样分析。从隔板上取部分沉积的垢样对灼烧碱量、酸不溶物、Fe2O3、CaO、MgO等进行分析。从报告看，氧化铁含量较高，含量达到82.1%，表明管壁金属被氧化腐蚀。通过对进入E-301的入口水样进行分析，浊度和COD偏高，分别达到15、4.27 mg/L。 通过上述检验和试验测试结果分析，可判定壳层无明显腐蚀，但管层二次循环水侧部分有一定腐蚀减薄，表明水质不净，水质分析也证明了这一点。从垢样的质地疏松和形貌、颜色，以及管壳层压力差，可断定工艺介质EO没有或者仅有少量进入管程。隔板密封面有凹坑，原因不好确定，但不排除水质的影响。从垢样的颜色、形貌、质地、成分分析，初步判断垢下腐蚀是换热器封头及隔板腐蚀的主要原因。结垢一般先在流速较低的部位生成，即水中沙粒等污物聚集、沉积于此，当黏附于内壁形成污垢后，因污垢内外氧浓度差而导致垢下腐蚀，造成管壁穿孔。一些污物随流体流动沉积于隔板，如沙粒、锈瘤等。 2 处理过程及措施 防止金属腐蚀的方法很多，电化学保护就是其中的一种，即通过改变金属/介质电极电位的方法来达到保护金属，避免遭受腐蚀的目的。它可以分为阴极保护和阳极保护两种，其中阴极保护是在金属表面上通过足够的阴极电流，使金属电位变负，并且使阳极溶解速度减小，这种方法又分为牺牲阳极保护和外加电流阴极保护。牺牲阳极保护是靠电位较负的金属（例如镁）的溶解来提供保护所需的电流，在保护过程中，这种电位较负的金属成为牺牲阳极，工作中逐渐被溶解。用牺牲阳极的方法对阴极进行保护是防止碳钢在水中腐蚀的最有效的方法，也可以用来保护冷凝器和换热器管箱。 由于牺牲阳极保护具有不需要外加电源、管理简便、对临近金属结构影响小等优点，所以被选用。牺牲阳极材料的选择，主要看材料的成分，特别要注意材料中各元素的适宜含量和杂质的最大允许含量。针对现场的实际情况，经过机械研究所研究决定采用高电位镁合金牺牲阳极保护办法。它的保护参数如下：保护电流密度为100 mA/m2；保护电位≤-0.85 V（相对Cu/CuSO4,参比电极）；镁合金阳极规格为200×（75+95）×75 mm；2.5 kg/块。镁合金阳极化学组成见表2。 将镁合金阳极采用焊接的安装方式安装在换热器循环水侧封头内侧隔板上面，安装时根据换热器封头内部结构合理布置阳极数量（阳极表面在使用前要除去表面氧化皮）。其结构如图4和图5所示。用镁作为牺牲阳极，则由镁与被保护的金属间的电位差所产生的电流来达到保护的目的。 3 结论 实践证明，用牺牲阳极法对阴极进行保护，是防止碳钢设备在冷却水中腐蚀的最有效的方法。采用牺牲阳极的方法来保护换热器，保证了换热器在一个检修周期内的长周期运行，不仅节省了抢修费，也节省了数百万元的设备更新费用。同时由于该车间的冷却器管程介质为二次循环水，水质存在一定的问题，所以对设备会有一定程度的腐蚀，其年腐蚀平均速率为0.125 mm，所以在在今后的工艺操作上要加强循环水质的处理，同时要控制管内流速和温度。 [参考文献] [1]化工机械手册[M].北京：化学工业出版社. [2]兰州石油机械研究所主编.换热器[M].烃加工出版社,1986. [3]杨启明，吕瑞典.工业设备腐蚀与保护[M].石油工业出版社，2001. |
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