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管壳式换热器和板式换热器的腐蚀与防护

点击:2027 日期:[ 2014-04-26 22:06:07 ]
                             管壳式换热器和板式换热器的腐蚀与防护                                    a 葛晶    b.冯忠亮                    (大庆石化公司a.化工二厂;b.化工一厂,黑龙江大庆163714)    摘要:阐述了换热器的腐蚀类型,指出应力腐蚀和孔蚀是破坏换热器的主要原因,探讨了防止换热器腐蚀的一些措施。     关键词:换热器;腐蚀;防护措施     中图分类号:TF066.2     文献标识码:B     管壳式换热器和板式换热器在石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、食品、污水处理和供热等领域中应用十分广泛。据调查,在上述领域中都发生过因腐蚀而造成的破坏[1],因此,对管壳式换热器和板式换热器进行防腐问题的研究,防止换热器过早损坏,降低因腐蚀而引起的资源浪费,减少不必要的停产以及因此而引起的产品损失等都有着重要的意义。     1 换热器腐蚀的原因     管壳式换热器和板式换热器腐蚀的类型基本相同,如表1[2]所列。由表1可见,换热器中最严重的腐蚀隐患之一是孔蚀,在换热管内外常会产生由于污垢附着而引起的孔蚀。孔蚀产生的原因多与卤素有关,特别是Cl-和含Cl的离子,其中以CuFe、Hg等金属的氯化物危害最为严重[3]。介质的流动条件和管子的表面状况也影响孔蚀的产生,介质流速高可以消除局部地方高浓度的Cl-从而降低腐蚀的倾向,管子表面光洁可增强其耐孔蚀的能力。                     对于采用胀接形式的接头,由于胀接过程中存在残余应力,在已胀和未胀管段间的过渡区,管子内外壁都存在拉应力,对应力腐蚀非常敏感。一旦具备发生应力腐蚀的温度、介质条件,换热器就会发生应力腐蚀破坏。应力腐蚀破裂是由于腐蚀和拉应力的共同作用而造成的材料断裂。只有当拉应力超过该体系的临界压力,才会产生应力腐蚀破裂。腐蚀介质和循环应力的共同作用也能形成腐蚀疲劳。如果换热器中的介质是电解质溶液,氢以原子状态在金属表面析出,向金属内部渗透,就会有氢破坏的可能,既可能产生氢鼓泡,又有可能导致氢脆。     含固体悬浮物的液体容易产生冲刷腐蚀,被冲刷腐蚀的部位,常有典型的沟状、洼状或波纹状等外观特征[4]。换热器入口管端,就存在冲刷腐蚀,发生在管壳式换热器管程流体入口部分,距传热管管端3~4倍管径长度处。     我国换热器的接头多采用焊接形式[5],管子与管板之间存在间隙,壳程介质进入到间隙死角中,就会形成缝隙腐蚀。在换热器中,污垢的附着部位也会产生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀与介质在这些部位的滞流有关。缝隙腐蚀与孔蚀的机理相似,一般出现孔蚀的地方也常有缝隙腐蚀发生。缝隙腐蚀和孔蚀都有一个孕育期,一旦过了孕育期,速度就会逐步增加。     换热管若采用奥氏体不锈钢管,如果在450~850℃保温一定时间,将造成敏化,使不锈钢具有晶间腐蚀的倾向,这可能与晶间的“贫铬”有关。     2 管壳式换热器的防腐蚀措施     2.1 操作工艺控制     换热器开车时,应首先用喷管将容器内的气体和冷凝水完全排出,而后将冷流体充满容器,关闭入口,然后缓慢注入热流体,注意不要使加热速度超过0.06℃·s-1,并使长度方向的温度梯度不大于30.4℃·m-1,总之,应尽量使导入流体而形成的管子与壳体之间的热膨胀差为最小。停车时,应先将热流体流速逐渐减小至零,然后快速停止冷流体流动,这样可使冷却过程中的不等量收缩减至最小。停机后,用干燥的压缩空气将换热器中的所有流体排出。这样的开停车工序,可以将拉应力降至最小,避免产生应力腐蚀。     在换热器运行中,应严格控制操作条件,避免骤冷骤热导致温差应力,产生应力腐蚀。采用定期清洗的方法降低污垢腐蚀。在运行中,可在规定的时间内,用瞬时增加流速的操作,或者采用逆流清洗的操作,也可用化学清洗的方法;停工时可采用喷射洗涤、机械清洗和化学清洗的方法。     2.2 维修工艺控制     在试压或操作中发现接头泄漏时,对接头胀管修复要慎重。胀管时,对其周围的管子也要进行再次胀管,以免形成间隙。管子泄漏时采取堵管方法也应慎重,在可以更换管子时尽量换管,以免造成很大的温差应力,导致应力腐蚀。     保温层破损后,应尽早使用防止水分的施工方法修复,以免壳体外积附水分,腐蚀壳体。用化学清洗清除换热器污垢时,清洗后需将残留液排出,因为残留液会腐蚀换热器,换热器长期不用时也要在换热器清洗后,将残留液完全排出。为避免管端磨损冲蚀,可用尼龙衬套防护。     2.3 水处理工艺控制     在循环冷却淡水中,可添加缓蚀剂以降低腐蚀。通常将阻垢分散剂、杀菌灭藻剂与缓蚀剂合用,称为水质稳定剂。CrO2-4是一种阳极抑制剂,与适当的阴极抑制剂合用时,可得到满意的防腐蚀效果,因此,常在水系统中使用。铬酸盐-锌-聚磷酸盐处理冷却水,常用于低碳钢、不锈钢、海军铜和铜镍合金换热器,但不能用于铝合金制换热器[6]。水处理方法还有软化、除氧、除铵、除磷酸盐及硫等,以控制水中的pH值和氧含量,以免腐蚀。     2.4 电化学保护     电化学保护分为阳极保护和阴极保护。阳极保护多用于换热器中工艺物料一侧。阳极保护即通过外加电流使金属电位向正向移动,促使金属钝化以进入钝化区,可以大大降低腐蚀速度。硫酸工业中已广泛使用配有阳极保护的不锈钢换热器。在人造丝生产中使用了阳极保护来防止钛制换热器的腐蚀。阴极保护常与保护性涂层联合使用,如使用淡水的冷却器采用富锌涂料,与阳极保护联合使用,简化了辅助阳极的布置,降低所需的电流,取得了很好的效果,被认为是最经济的防腐蚀方法[7]。大型换热器常采用外加电流阴极保护,小型海水换热器则多用牺牲阳极的阴极保护。     2.5 设计、制造及安装工艺控制     设计时应将蒸汽放在管程侧并避免高速气体流经壳程。因为蒸汽的冷凝液中溶解有O2和CO2,具有较强的腐蚀性。安装制造时管排应略微倾斜,以便冷凝液及时排出。     3 板式换热器的防腐蚀措施     板式换热器的防腐蚀措施除可以采用以上方法外,还可采用以下措施:     (1)设计板片的成形模时,应采用残余应力小的结构。板片的波纹断面、波纹的高度和节距要合理。所有断面要圆弧过渡,钦板圆角一般在R2~R2.5。为减小内部残余应力,应采用整体切边或高频振荡等措施。     (2)为减轻对板片表面的划伤,要对模具表面进行抛光。成形时要涂润滑剂或加润滑膜,以减轻对板片的划痕。     (3)板片与垫片的粘结剂,不要采用过期的和含有Cl-的粘结剂,防止析出Cl-而引发腐蚀。     (4)选择正确合理的板片结构和正常流速,一般板间平均流速为0.2~0.8m·s-1(主流线上的流速要比平均值高4~5倍)。流速低于0.2m·s-1时,流体达不到湍流状态且会形成较大的死角区[8]。正确合理选用流速,也可减轻入口处的板片腐蚀。     (5)增加板片触点的接触率,减少磨振对触点的破坏。人字形波纹板片的两相邻板片互相倒置组合后,波纹相互接触在1~1.6cm2的面积内(视波纹节距而定)就有一个支点,且分布均匀,所以板片触点接触率较高。水平直波纹的支点较稀疏[9]。日阪制作的EX型板片,为了增加支点,研制出格子状的水平平直波纹板片。     (6)板片换热器的密封垫片也是关键的零部件。取密封周边的长度(m)是换热面积(m)的6~8倍。由于在板片和密封压紧板的边缘,垫片沟槽和垫片之间存在缝隙,造成缺氧形成阳极而发生腐蚀破坏。所以垫片槽和垫片形状的设计要合理,密封垫片的截面必须与板片沟槽截面吻合。目前,密封垫片广泛采用弹性橡胶材料,对其力学性能和抗腐蚀性能有一定的要求,永久压缩变形量控制在<20%,并热时效。垫片和板片夹紧后要尽量减少缝隙[10]。这类垫片槽一般采用“粘贴型”密封结构。     目前还发展了易装卸的“按扣”和“搭扣”密封结构,可直接扣在板片上,定位正确、牢固,无需粘结剂。此密封结构是借助弹性材料的过盈量将其压紧总之设计合理的密封结构和垫片形状,可减少缝隙腐蚀。     4 结语     随着换热器应用领域扩大,介质多种多样,这就需要研制更多的能抗各种介质腐蚀的板材,并采取前述几方面的防腐措施,才能在各行各业中广泛应用,使换热器发挥出更大的经济效益。     参考文献     [1] 屈昀丽,张祥泰,邹素芳.浅谈换热器的腐蚀与防护[J].内蒙古石油化工,2006,(9):144-146.     [2] 衡世权,姜莉.换热器腐蚀污垢的形成机理及其防治措施[J].节能,2004,(4):28-30.     [3] 宋鸿鸣.压力容器安全监察手册[M].北京:中国劳动出版社,1991.298-312.     [4] 刘相臣.化工装备事故分析与预防[M].北京:化学工业出版社,1994.66-68.     [5] 王淑娟,郑美丽.板式换热器的腐蚀与防护[J].石油化工设备,1996,25(5):47-49.     [6] 杨善让,徐志明.换热设备的污垢与对策[M].北京:科学出版社,1995.     [7] 张晓峰,张小萌.管壳式换热器的腐蚀与防护分析[J].化工技术与装备,1997,18(1):52-55.     [8] 祁玉红,俞树荣,李治国.焊接板式换热器的应力腐蚀及防护[J].石油化工设备,2007,36(2):91-93.     [9] 雷国庆,张治川.板式换热器缝隙腐蚀[J].石油化工设备2003,32(4):66-67.     [10] 王欣.新型耐腐蚀材料在板式换热器中应用[J].石油化工设备,2000,29(5):43-45.
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