换热器腐蚀分析及对策

换热器腐蚀分析及对策

于雪松

大庆石化公司塑料厂全密度联合车间 黑龙江大庆 163714

摘要：在石化企业中，换热器是一种应用极为广泛的设备，用于实现高温流体与低温流体间的热量传递。而由于高温、低温流体的自身特性以及流体中一些杂质的掺杂，常常对换热器造成不同程度的腐蚀甚至泄漏，这无疑会增加企业的设备投资及维护成本，因此换热器的腐蚀问题一直是石化企业面临的棘手问题。本论文通过对循环水水质及腐蚀产物的分析及换热器冷却水流程的一些关键部位的分析，确定导致换热器腐蚀的关键原因为工业循环水水质太差和冷却水流程存在局部流动死区加重局部腐蚀速率。

关键词：聚乙烯；换热器；腐蚀机理；工艺计算；

前言：在某聚乙烯合成装置中，高压循环气体冷却单元是其重要的组成部分之一，该冷却单元一共包括三组套管式换热器、每组换热器由四排套管式换热器并联而成，用来实现对高压循环乙烯气体的冷却，每个冷却单元后面会有一个分离器，分离剩下的乙烯气体进入下一个冷却单元，最终剩下的乙烯气体送入压缩机重复利用。该过程将乙稀气体从最初的操作压力30MPa、温度250℃冷却到终温40℃，乙烯气体走的是管程，而循环冷却水走的是环隙，冷却水的工况为压力0.4～2.5Mpa、操作温度22～150℃。管壁腐蚀速度很快，新更换时间不长的冷却器就产生了明显的腐蚀坑，对设备的运行状况以及安全都造成了严重影响，因此，研究并找出导致冷却器产生腐蚀的真正原因，以及提出从根本上减缓冷却器腐蚀的方法就成了最关键的问题。

1、腐蚀机理分析

金属管路在具有腐蚀性的冷却水环境中，首先是在管壁表面形成一层薄的腐蚀层，这个腐蚀层有时会起到钝化层的作用，起到阻隔腐蚀的效果，进而降低腐蚀速率。但是，由于管路内局部结垢或堆积了异物导致了流通截面的阻塞或者减小，以及在管路连接处的水路方向的突变等，将会使得腐蚀层受到很大的冲击作用，在冲击力的作用下，这些腐蚀物就会被不断地随着水流被剥落冲走，于是，这就导致了新的腐蚀层的产生，如此而来管路就会加重腐蚀程度。

循环冷却水因某种因素有时含有少量的泥土、砂粒、焊渣、腐蚀物等不溶性物质，这些固体物质有时从清洗时引入的，有些是安装、维修时带入的，也可能是在运行中生成的。这些不溶物一方面易在滞流区域沉积造成结垢和垢下腐蚀，另一方面会随水流冲击管壁，对其产生冲击磨损效应。因而，确保循环冷却水的纯度及其质量是相当重要的，在循环冷却水来源管线上加装过滤设备能在一定程度上起到作用。

除此以外，在企业每年的生产过程中，会有数次切换或者停车来对冷却器的腐蚀产物以及结据进行清洗，目前采用的清洗方式主要有热水冲洗、酸洗、高压水冲洗及蒸汽清洗四种，利用蒸汽清洗时，管壁的腐蚀产物会受到蒸汽的渗透腐蚀，而用热水清洗时，腐蚀物在受到浸泡之后会膨胀，并且会随着随流逐渐脱落，脱落的过程会对管壁基体造成一定的损伤，而且与此同时管壁就开始了新的腐蚀进程，这就是干湿交替腐蚀的作用机理，这也是对管壁减薄起到关键作用的一种。酸洗，将注满酸溶液的换热器静态浸泡2h。然后连续动态循环3～4 h。其间每隔0.5 h进行正反交替清洗。酸洗结束后，若酸液pH值大于2，酸液可重复使用，否则，应将酸洗液稀释中和后排掉，酸洗对换热器本身也具有一定程度的腐蚀作用，对换热器造成伤害。

高压清洗机的工作原理是以水为工作介质，它的原理是将普通的自来水通过高压水泵转化为高压低流速的水，然后输送到高压喷杆，使其以一定的能量到达高压喷嘴。而高压喷嘴的孔径要比高压管的直径小得多，因此到达高压喷嘴的水要想通过喷嘴必须加速。这样，喷嘴就可以把高压低流速的水转变为低压高流速的射流。高压水射流是能量转变与应用最简单的一种形式。当高压水射流的冲击力大于污垢与物体表面的附着力时，就会将污垢剥离，冲走，以达到清洗物体表面的目的。

对循环水进行等离子发射光谱分析和离子色谱分析、以及对腐蚀物进行的分析，循环水中含量过高的Ca、Na、K、S、CL^-、SO4^2-以及露天循环导致循环水中溶氧量很高、再加上一些微生物作用，导致了溶解氧腐蚀、垢下腐蚀以及氯离子点蚀；在冷却器的端部、以及中间跨管之处，存在着因流通截面流动方向的突然改变而引发的流动死区、流速急剧增加区、以及循环水因滞留引发过热而汽化的区域，这些地方将会对冷却器产生更加严重的结垢、强烈的冲蚀、甚至汽蚀。

2、冷却系统的工艺校核

在实际生产运行的过程中，冷却器内管中会有一部分乙烯低聚物附着在管壁上，形成一层污垢热阻，对于传热产生较大影响；在内管外壁，由于工业循环水的腐蚀以及一些污垢的沉积作用，会形成一层污垢，进而也对传热产生影响。正是由于如此，所以冷却器的设计运行流程为：最开始仅仅开启4排冷却器中的2排即可满足换热需求，随着管内外污垢热阻的增加，2排冷却器的换热面积将会不足，此时增加到3排冷却器运行，当3排冷却器换热面积不足时，再增加到4排，以此来维持物料出口温度在要求的范围内。在接下来的工艺校核过程中，正是本着上面的思路，分别2排、3排、4排冷却器运行情况下的工艺参数进行了计算，在运行过程中，乙稀物料流量是固定的，随着污垢热阻的增加，需要逐步增加冷却水量来使乙稀出口温度维持在允许的范围。

随着运行时间的延长，乙稀低聚物附着在内管内壁面的厚度逐渐增加，冷却水一侧产生的污垢热阻也逐渐增加，从而导致冷却器本身的换热余量逐渐减小，最终达到乙稀物料的终温上限140℃，此时所对应的冷却水用量为最大水量。两排冷却器运行时，乙烯进口温度始终保持195℃，纯水进口温度保持40℃，随着污垢热阻从0.000537m²K/W增加到0.001461m²K/W的过程，水量从最小值80437kg/h增加到最大值152619kg/h。乙烯的出口温度范围是120～140℃，流速范围是16.42～18.76m/s；纯水出口温度范围是62～48.5℃，流速范围是2.13～4.03m/s。

四排冷却器运行时，乙烯进口温度始终保持60℃，纯水进口温度保持30℃随着污垢热阻从0.0030937m²K/W增加到0.003867m²K/W的过程，水量从最小值31533kg/h增加到最大值33326kg/h。乙烯的出口温度范围是45～42.5℃，流速范围是0.41～0.44 m/s。

3、端部结构优化设计

在端部结构中，两内管在此处通过U型接管连接，实现乙烯气体流动方向的改变，冷却器中的冷却水从环隙进入端部封头的内腔，经流动方向的改变，进入到下一个环隙中，在环隙中，流通截面较小，突然进入到空间很大的封头内腔，冷却水的流速及方向会瞬间产生很大变化，在内侧，流速较高，和直管段的流速相差不大，而在外侧，由于流速很小，因此产生流动死区，这个死区是冷却水中杂质以及一些离子容易产生聚集、沉积的地方，因此容易在管壁迅速结垢，产生更为严重的垢下腐蚀，特别是下部，由于冷却水在此处的滞留，加之乙稀物料的温度较高（195℃冷却到130℃），因此滞留的水将会产生一定的汽化，这将会对管壁产生严重的汽蚀，这也是造成下部U型接头管外壁外侧腐蚀异常严重的重要原因之一。
结语：综合以上分析可以得出改善冷却器腐蚀的最关键的途径：改善水质，降低循环水中含量过高的Ca、Na、K、S、CL-、SO₄^2-以及含氧量等加速腐蚀的元素、离子，最根本的途径是将原工业循环冷却水替换为纯水；优化冷却器端部以及跨管处结构，减小流动死区，避免流速的大范围变化，从而减轻结垢，降低冲蚀、汽蚀作用。冷却水系统换热器端部结构的优化与改进设计，现用换热器端部结构存在冷却水流动死区，使流场分布不均匀。对于端部封头处，通过局部的结构改进，主要是通过增加一块隔流板来减小流动死区，避免各种离子的聚集沉积产生的垢下腐蚀，从而也避免冷却水局部过热而产生汽蚀。

参考文献：
　　[1]潘亮亮.常减压蒸馏装置常顶换热器腐蚀原因分析及对策[J].炼油技术与工程,2016,46(04）：37-41.
　　[2]李亚军.加氢高压换热器腐蚀泄漏分析及对策[J].建筑工程技术与设计,2018,000(017):518.
　　[3]涂连涛,漆小川,关创,等.常压塔顶油气换热器腐蚀原因分析及对策[J].中外能源,2019(06).
　　[4]石云杰.换热器腐蚀分析及对策[J].中国化工贸易,2019,011(033):206.
　　[5]卢亚昆,魏月娥.乙烯装置工艺水汽提塔系统换热器结垢原因分析及对策[J].乙烯工业,2016,28(03):34-38.