哈雷钎焊板式换热器
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空冷换热器水质诊断及腐蚀控制对策

点击:1174 日期:[ 2014-04-26 22:06:26 ]
                                空冷换热器水质诊断及腐蚀控制对策                                    环久峰  王栋  陈贵军 马良驹 (1.大连理工大学环境与生命学院,大连110623;2.大连理工大学动力工程系,大连1 16023;3.云南省节能技术服务中心,昆明650041)     摘要:以某企业空冷换热器腐蚀失效为例,采用水质分析,水样pH、电导率温度响应,配合扫描电镜、电子能谱分析、XP,D等手段,解析腐蚀原因。结果表明是锅炉水的预处理不完善导致锅炉给水中存在氧和碳酸氢盐,当换热完毕蒸汽温度降低时,气相中O2和cO2溶人换热器表面水膜中,导致了酸腐蚀和氧腐蚀的协同作用。另外换热器椭圆形管束引起的应力集中也加速了腐蚀。根据诊断结果提出了具体防腐蚀对策。     关键词:水质诊断{换热器;腐蚀机理;温度响应     中图分类号:TG174 文献标识码:A 文章编号:1005—748X(2∞6)O4一O2O8一O4     蒸汽凝结水因为其热量高、水质较好的特点,它的回用能够带来很大的经济和环境效益。换热器是蒸汽释放潜热凝结成水的主要工艺设备之一,在工业制造与产品加工过程中得到广泛使用。一般使用条件下,换热器的损坏9O 是由于腐蚀。引起腐蚀的因素很多,机理也各不相同。重要的是,应该对于具体对象,进行正确的判断,开展较全面的化学和电化学分析,提出和采取合理的技术措施[1训。     本文以某企业空冷换热器腐蚀失效为例,采用水质分析,水样pH、电导率温度响应解析,配合电镜、电子能谱分析、XRD等手段,查找腐蚀原因,剖析了腐蚀机理,并在此基础上提出了具体的防腐蚀对策。     1.工况及腐蚀状况现场调查     某企业空冷换热器,椭圆形管束,材质为2O 钢材由冷拔后管束内外镀锌而成。散热翅片材质为镀锌的碳钢。管程介质是水蒸气,人口温度为200"C。壳体是通过外部空气经过散热翅片进行换热,换热后的空气温度为80"C左右,空冷换热器的出口冷凝水温度是180~190℃。这部分热量很高的凝结水将被回收,再送人除氧器中作为锅炉的补给水 引,换热工艺过程见图l。     该企业换热器一般使用6~12个月就产生穿孔腐蚀,现场观察发现腐蚀部位均位于距换热器底部0~40cm处,有漏水、漏气现象。冷凝水中有少量的黑褐色沉淀物。                        2 水质及腐蚀产物分析     2.1 水质分析     表l为车间锅炉内水和冷凝水的水质日常化验结果。                       由表l可见,pH 由炉水的l2.44降到了冷凝水的5.67,是一个很大幅度的酸度变化。企业所在地区多以喀斯特地貌为主口],水体中可能含有大量的碳酸氢盐,而炉前水处理只设置了钠型阳离子交换器。由此可推测pH的降低可能是由于炉内水中HCO7高温分解产生的CO2重新溶解至较低温的冷凝水中导致的。冷凝水中Fe的增高则反映腐蚀的发生。     由于锅炉内水和冷凝水的溶解氧浓度是确定腐蚀原因的重要依据,分别对给水、1#~3#锅炉内水、冷凝出水取样分析。采用化学法和电极法比较测量确认了数据的准确性。DO(溶解氧)现场实测数据见表2。                     根据国家锅炉水质标准GB1 576—2001,该企业额定出口蒸汽压力大于1.6MPa的低压蒸汽锅炉,给水pH值应≥7,溶解氧(mg/I )≤O.05。可见锅炉给水氧浓度大大超出国家标准,为标准的13~l8倍。推测设置的除氧器未能达到使用标准。     2.2 腐蚀产物分析     将空冷换热器底部0~40cm段的管束从下而上分别截取四段,作为实验分析的4个样品。表观观察发现:蚀孔边缘的样品1腐蚀严重,而样品4则基本没有腐蚀。说明腐蚀是从出口逆流向上依次发展的,温度低的部位腐蚀严重。                       图2显示了明显的孔状腐蚀的外观和切开后边壁的厚度变化比较。发现管束在椭圆的两扁端处严重减薄,平均厚度为0.5mm,与新的管束壁厚相比较减薄了约3/4,并有中4~5mm的圆形蚀孔。从曲率半径最小处开始发生穿孔的现象说明,应力腐蚀起了一定的作用。     分别对四个样品进行扫描电镜、能谱成分定量分析及x射线衍射成分分析。对样品l及样品4的分析结果进行了详细比较。     2.2.1 扫描电镜观察结果     图3是腐蚀试样表面的扫描电镜照片。图3a与图3b两图比较可明显看出样品l所处的蚀孔周围表面粗糙、凹凸不平、疏松,锈层分布不连续。沿着锈层出现腐蚀沟槽花样痕迹,局部有微小颗粒物,锈蚀严重。而腐蚀不明显的样品4表面则比较平整,均匀。                        2.2.2 能谱成分定量分析     电子能谱分析(EDX)结果表明蚀孔附近腐蚀产物主要由O、Fe和Zn元素组成。蚀孔周围管壁表面成分见表3。表3数据表明O元素参与了碳钢管的腐蚀过程。                        2.2.3 X射线衍射成分分析     经X射线衍射分析,腐蚀产物有Fe3()4、Zn—Fe2()4等,而腐蚀不严重的样品4表面产物除了Fe3()4和ZnFe2()4之外,还存在有FeO,ZnO 和Fe(MnZn)(Co3)等物质(图略)。大量的金属氧化物及C03.2一的存在,说明了氧和二氧化碳在蒸汽中的存在,这与水质诊断的结果相一致。     3 pH、电导率温度响应特性     对取样水进一步测量,得出在不同温度下水样的pH、电导率的温度响应特性。实验仪器为IU—CHI TRW-327高精度温度控制仪(精度±0.02"C,全自动控制)。实验温度为16~--70℃。     由图4曲线可以看出给水和锅炉内水pH值随温度上升而略有下降,基本符合水电离产生H+多少随温度变化的规律。但冷凝水pH值随温度上升而升高,分析其机理可能为温度升高,二氧化碳溶解,电离平衡向反方向发展析出C02,冷凝水中游离H+减少,即表现为温度降低,冷凝水pH降低。由此推测,冷凝水的腐蚀能力是随温度下降而上升的,这与管道下部开始发生腐蚀的表现是一致的。                      由图5可以看出给水和冷凝水随温度变化显单调升高趋势。一般来说,电导率是随温度升高而增大的,给水和冷凝水反映了其中的电离物质基本没有散失的特点,炉水的低温段也反映这一规律。而锅炉内水受温度影响较大,出现电导峰值(约40℃左右)后,电导率下降,说明锅炉中发生了化学反应影响到水中游离的阴阳离子数量。     4 腐蚀原因分析     4.1 水处理不彻底导致CO2在汽水循环中存在     根据实验结果推断,蒸汽冷凝系统中存在着大量的CO2,随温度降低,CO2溶于凝结水中降低了水体的pH值。pH值在5.3时约有相当于50 x1O-6的C02。能谱及X射线衍射成分分析中只发现极少量的FeCO3,是因为在温度大于110℃时材料表面产物层由FeCO3变成了厚而疏松的无保护性的Fe。o4,这将会加速腐蚀[ 。     4.2 氧的超量存在     根据上述分析结果表明,由于介质中(蒸汽及冷凝水中)含有大量的氧,氧与管束金属的铁发生氧化反应生成FeO、Fe3O4。同样,氧又与管束中的镀层锌发生氧化反应生成zn Fe2()4物质,腐蚀产物除少部分被冷凝水带走,大部分堆积在传热管,这些腐蚀产物疏松多孔,在腐蚀产物和蚀点周围形成了氧浓差电位,腐蚀继续向阳极即向蚀点周围扩散导致穿孔。在酸性条件下氧腐蚀更容易发生。     由以上分析可以推断,换热器管程腐蚀属于溶解氧与COz的共同腐蚀。当pH 值低时(9.5~5.5),腐蚀产物大部为可溶性的,可随凝结水流走。但当CO2和02同时存在还有可能发生如下反应:                  4Fe(HCO3)2+ O2→2Fe2O3+8CO2+4H2O                 6Fe(HC03)2+ 02→2Fe304+ 12CO2+ 6H2O     反应产生的CO2可再次进入水、汽之中继续反应直至穿孔。     4.3 应力加速腐蚀     样品的表面形貌分析表明该腐蚀可能是由于在制作空气冷却器时,由冷拔而成的椭圆管束未及时消除残余应力(应力集中在椭圆的两扁端处),造成应力集中,从而椭圆管束的两扁端处的氧化膜因机械的(如水的湍流及因压力、温差变化引起的空泡)或化学物质(如02、CO2等物质)的作用而破坏。因此应力的存在对腐蚀起到一定加速作用。     5 结论及建议     初步确定,该空冷换热器腐蚀破坏的主要原因是锅炉水处理工艺不完善,导致水体和蒸汽中大量氧和CO2的存在,氧的超量存在引起氧化腐蚀、CO2溶于凝结水中引起的二氧化碳腐蚀,且两种腐蚀形式存在协同作用。另外应力的存在也加速了管材的腐蚀。针对该空冷换热器的腐蚀问题可从以下方面配合以适当的操作条件采取措施:     (1)由于其原水中含有大量的碳酸氢盐,建议将给水处理工艺由钠离子交换软化改造为H—Na并联离子交换工艺,在除硬度的基础上降低给水碱度并脱除CO2。此工艺还能够降低锅炉的排污损失,节约能源,减少运营费用,经济性较高。     (2)查实除氧器效率,在合适的条件下进行炉内加药补充除氧处理,以降低冷凝水中02、CO 的含量。     (3)换热器选用圆形管束可减轻局部应力腐蚀的发生,材质可选用不锈钢材料以保证换热器的抗氧化及耐腐蚀性能。     (4)健全现场水质监控条件及功能,加强对原水和冷凝水的各水质指标的监控,以准确及时地把握流程中热工参数和水质参数的变化情况,实现能源的合理流动和利用。
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