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电脱盐切水换热器联合保护的研究与设计点击：2013 日期：[ 2014-04-26 21:58:14 ] |
| p; 电脱盐切水换热器联合保护的研究与设计 崔正丹1何德良1龚德胜2羿仰桃2李志强2 (1.湖南大学化学化工学院,长沙,410082; 2.中石化岳阳长岭设备研究所,岳阳,414014) 摘要:通过对中石化长岭分公司电脱盐切水换热器的腐蚀原因和工作介质分析,提出采用涂层与牺 牲阳极联合保护的防腐方案对该设备进行保护。采用极化曲线对牺牲阳极材料、选用涂料的防腐 性能以及阴极保护参数进行了研究,并对联合保护进行了简单工艺计算,为该保护法在电脱盐切水 换热器上的应用提供了参考和指导。为验证该保护方案的合理性和保护效果,在换热器模型上进 行了模拟试验,牺牲阳极溶解特征和换热管的腐蚀情况表明该防腐方案合理可行。 关键词:换热器 涂层 牺牲阳极 联合保护 1 前言 换热器作为重要的换热设备,在炼油企业中应 用广泛。目前国内炼油厂换热器所用材质多数为碳 钢,由于换热器运行环境苛刻,接触介质常具有强腐 蚀性且温度高,碳钢管束极易发生腐蚀穿孔,给企业 生产造成了很大的经济损失和安全隐患,因此炼油 厂换热器腐蚀问题引起防腐工作者的高度关注。针 对换热器腐蚀问题目前采取了一系列防腐措施,如: 牺牲阳极保护、化学镀Ni-P、涂层防护等[1~3],目前 在水相介质中应用较多的防腐措施为牺牲阳极保 护、涂层-牺牲阳极联合保护等,均取得了较好的防 腐效果。采用涂层与牺牲阳极的联合保护,能减少 牺牲阳极用量,牺牲阳极能保护涂层被破坏区域,两 者起到协同作用,且该保护法施工及安装维护简单, 保护费用低,因此将该联合保护法应用于电脱盐切 水换热器经济合理,可行性高。 由于换热器运行环境苛刻,对其进行联合保护 应用前的研究显得尤为重要,而许多工程往往在应 用涂层与牺牲阳极联合保护前都缺乏系统的研究和 设计。联合保护法的核心内容是对牺牲阳极材料和 涂料的选择,许多工程应用前容易忽视这两方面研 究,通常根据经验和相关标准进行选择,不注重实际 运行情况,使联合保护达不到预期的保护效果,从而 缩短了保护寿命,增加了保护成本。 极化曲线测量是研究金属腐蚀重要的电化学手 段,由极化曲线可以获得金属材料的自腐蚀电位和 自腐蚀电流、极化性能等信息,本文利用极化曲线, 选择了适合该联合保护方案的牺牲阳极材料和高温 耐蚀阻垢涂料,并对阴极保护参数及牺牲阳极工艺 进行了相关研究和计算,且模拟试验表明,该防腐方 案合理可行。 2 腐蚀分析及防腐方案 2·1 工况条件及介质分析 换热器工况条件和介质成分决定换热器管束的 腐蚀情况,并对牺牲阳极材料和涂料的选择有决定 作用,换热器工况条件和脱硫净化水的理化性质分 别见表1和表2。 2·2 腐蚀概况 中石化长岭分公司联合装置1#、2#常压单元现有6台电脱盐切水换热器,换热器管程走电脱盐 切水,壳程走脱硫净化水,采用材质为10号碳钢。 该装置运行一年左右,即出现腐蚀穿孔现象,抽芯检 查时发现在其管束表面结垢和腐蚀比较严重,有大 量红棕色锈垢,且垢层疏松,锈垢分布密集,将管束 表面进行高压清洗,除去锈垢后呈现明显的点蚀特 征,在管束多处地方有针孔及微小裂纹,图1为换热 器管束腐蚀形貌。 2·3 腐蚀分析 碳钢在含氧的水溶液中主要腐蚀形式为电化学 腐蚀,由于碳钢组织结构不均一,易在表面形成腐蚀 原电池,阳极反应为铁的溶解,阴极反应为氧的去极 化,在碱性溶液中腐蚀产物多为铁的氧化物及氢氧 化物。据表2分析结果,脱硫净化水中含有大量 H2S,NH3等物质,浓度分别为108mg/L、77·3mg/ L,pH值为9·8,早期研究结果表明[4],碳钢在含 H2S碱性溶液中,阳极生成的腐蚀产物Fe2+,能与 H2S溶液中的HS-、S2-生成硫化物膜,但在pH值 为8~12的溶液中,该硫化物膜疏松多孔,点蚀更容 易进行,是造成换热管局部腐蚀穿孔的主要原因。 脱硫净化水中的悬浮物会被随机地吸附到换热管表面,并在管束表面形成沉积层,这种多孔性沉积层会 形成一定的缝隙,造成局部缝隙腐蚀,管束内液体流 动不仅会加速腐蚀电化学反应而且会造成磨损腐 蚀。 研究结果和工程实际应用表明[5],采用阴极保 护能有效防止碳钢在水溶液中出现的点蚀以及结垢 导致的缝隙腐蚀,目前随着高性能耐蚀阻垢涂料的 开发,有效解决了换热器存在的结垢问题,综合考虑 电脱盐切水换热器工况条件以及保护措施要求安装 维护简单,拟采用涂层与牺牲阳极联合保护法对该 设备进行保护。 3 联合保护设计 3·1 牺牲阳极材料的选择 将10号碳钢一面用环氧树脂封闭,一面裸露, 于60℃脱硫净化水中浸泡7d后测其开路电位为: -0·65V(vs·SCE),文中电位均相对饱和甘汞电 极。牺牲阳极材料在该介质中的自腐蚀电位至少负 于该电位才能使用。 牺牲阳极材料应具备电位较负,阳极极化小,溶 解性能好等特点。常用牺牲阳极材料有铝合金、锌 合金、镁合金等三种类型,根据不同腐蚀环境有不同 选择,防腐工程中选择牺牲阳极往往根据经验和介 质电阻率,本研究在此基础上通过测量牺牲阳极材 料在运行介质中极化曲线来进行选择。针对目前常 用牺牲阳极选取四种不同类型材料作为研究对象, 四种牺牲阳极材料类型:Al-Zn-In-Mg-Ti,Al-Zn-In- Cd,Zn-Al-Mg,Mg-Al-Zn。 四种牺牲阳极在60℃脱硫净化水中浸泡5h后的Tafel曲线,如图2所示。 用CorrWare软件对极化曲线参数进行拟合, 结果见表3。 表3中看出,四种材料的腐蚀电位均负于碳钢 在脱硫净化水中的自腐蚀电位,满足电位要求,而 Zn-Al-Mg在介质中自腐蚀电位相对偏正,与碳钢 在该介质中的自腐蚀电位相差小,两者形成电偶时 驱动电位小,且在温度超过60℃时,表面易发生钝 化,腐蚀电位正移,可能与碳钢形成极性逆转,导致 其自腐蚀电流偏小,溶解性能较差,由于换热器壳程 温度为60℃,因此牺牲阳极Zn-Al-Mg不适合在该 介质中使用。Mg-Al-Zn电位偏负,自腐蚀电位为 -1·571V,易发生过保护,加之镁合金成本偏高,不 考虑将其作为牺牲阳极。表中Ba值代表材料在介 质中的阳极极化性能,牺牲阳极工作时阳极表面会 有一定的电流密度,阳极发生极化,电位向正方向移 动,作为牺牲阳极Ba值越小越好,对表3中两种铝合金牺牲阳极溶解和阳极极化性能比较,最适合脱 硫净化水中使用的牺牲阳极材料为:Al-Zn-In-Mg- Ti。 3·2 涂料的选择 换热器用涂料防护是常用防腐措施,由于换热 器运行温度高,介质腐蚀性强,选择涂料时,必须满 足耐蚀性高、导热性能优越、附着力强、硬度高、柔嫩 性好等条件。TH-847各方面性能满足电脱盐切水 换热器使用条件,且基本达到国外换热器涂料防腐 水平,性能参数见表4[6]。 由表4中TH-847性能参数,该涂料能够满足电 脱盐切水换热器的防腐要求,为进一步分析该涂料在 60℃脱硫净化水中对碳钢的防腐性能,将涂有该涂层 的碳钢电极于介质中浸泡7d,于60℃脱硫净化水中 测量其Tafel曲线,从图3中发现涂有涂层的碳钢腐 蚀速度明显降低,降幅达到两个数量级以上,且碳钢 腐蚀电位正移,表明涂装涂层后碳钢有钝化倾向,耐 蚀性能提高,因为该涂料中含有的水合磷酸锌和四盐 基铬酸锌是活性防锈颜料,当它们遇到渗入漆膜的微 量水分后,同铁锈反应生成一层致密的钝化膜,能进 一步提高漆膜的防渗性和耐蚀性,综上分析表明 TH-847涂料适合在该换热器上使用。 3·3 阴极保护参数研究 阴极保护参数包括两个方面内容:最小保护电位和最小保护电流密度,通常用阴极极化曲线来进行判 断[7],图4为涂装有TH847涂层的碳钢电极在脱硫 净化水中阴极极化曲线。 最小保护电位按经验为自腐蚀电位负移200~ 300mV,也有研究按阴极极化曲线拐点进行取值,从 图4看出当电位为-0·75V时,符合上面两个条件, 碳钢在脱硫净化水中阴极过程是典型的氧扩散控制, 由图4,有涂层的碳钢电极在电位极化到-1·5V时 无明显析氢现象,这是由于电极表面覆盖一层涂膜, 导致其析氢过程受到较大阻力,但当电位负于 -1·2V,碳钢在水溶液中存在析氢危险,因此在进行 联合保护时最大保护电位不宜负于该电位,并由极化 曲线可知,极化到-0·75V时所需的电流密度为25 mA/cm2,即为联合保护的最小电流密度。 3·4 联合保护工艺计算[8] 3·4·1 计算依据 (1)采用涂层与牺牲阳极联合保护法; (2)设计后保护电位:-0·75~-1·2V; (3)脱硫净化水电阻率:70·8Ω·cm;温度:60℃; (4)据分析结果采用牺牲阳极材料:Al-Zn-In- Mg-Ti,考虑换热器尺寸,选用牺牲阳极规格为: 500mm×50mm×50mm(长×宽×高),质量:3·63 kg; (5)牺牲阳极在脱硫净化水中电化学性能: 开路电位:-1·1V,工作电位:-1·08V,实际 电容量:2040A·h/kg。 3·4·2 计算步骤 (1)保护面积:260m2; (2)联合保护电流密度:i0=25mA/m2; 所需保护的总电流:I=i0×S=25mA/m2×260m2=6·5A; 3·5 模拟实验研究 为验证该保护法的合理性和保护效果,按照换热 器规格,制作了模拟装置,将该保护法在模拟装置上 进行了应用,从牺牲阳极的失重和腐蚀情况表明,换 热器管束得到了较好保护,腐蚀明显减轻,说明该防 腐方案合理可行。 4 结语 (1)通过对电脱盐切水换热器腐蚀原因分析,提 出采用涂层与牺牲阳极联合保护的防腐措施。 (2)通过极化曲线研究,确定联合保护的牺牲阳 极材料和涂料类型分别为:Al-Zn-In-Mg-Ti和 TH-847,确定联合保护的阴极保护参数,其最小保护 电位和最小保护电流密度分别为-0·75V和25mA/ cm2。 (3)模拟实验表明采用该保护法后换热器管束腐 蚀明显减轻,且牺牲阳极表面溶解均匀,该保护法在 用于电脱盐切水换热器合理可行。 参考文献 [1]张作为.牺牲阳极法在换热器防腐蚀中的应用[J].化工装备技术, 2000,21(4):53~54. [2]张勇.镍磷化学镀技术在换热器管束防腐中的应用[J].石油化工设备,2006,35(3):60~62. [3]吴金奎.碳钢水冷器防腐蚀涂层技术与应用[J].腐蚀与防护, 2003,20(2):67~70. [4]ShoesrmtbDW,TaylorP,BailyMG,IkedaB,Electrochemical behaviourofironinalkalinesulphidesolutions[J].ElectrochemActa, 1978,23:903~909. [5]PierreR.Roberge,HandbookofCorrosionEngineering[M].NewYork,1999. [6]莫少明,刘海斌,卞玉锋.TH-847水冷器涂料的涂装及应用[J]. 石油化工腐蚀与防护,2001,18(2):39~42. [7]王洪仁,邓春龙,董飒英,孙明先,郭为民.高锰铝青铜在流动海水 中阴极保护参数的研究[J].海洋科学,2005,29(7):55~58. [8]GB/T16166-1996.滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保 护. |
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