換熱器（亦稱熱交換設備）是石油行業中廣泛使用的熱量交換設備， 它不僅可以單獨作為加熱器， 冷卻器使用，而且可以作為一些化工產品的重要生產設備，是重要的節能設備之一，在生產中占有重要地位。在石化設備中，換熱器約占煉油工藝設備總質量的 40%，占建廠投資費用的 20%左右。

    鑒于國內重質油加工比例的越來越大，煉廠生產設備服役的腐蝕環境劣化，腐蝕問題也日益嚴重與復雜化，導致煉廠換熱器設備的安全運行受到了前所未有的嚴峻考驗。換熱器發生泄漏的事故也屢見不鮮，例如遼陽石化分公司煉油廠第二循環水場，僅 2000 年 1 ~ 10 月就有 13 臺水冷器泄漏；延長集團延安煉油廠，從 2007 年 7 月到 2010 年 6 月這三年里，該煉廠對煉化裝置的檢修就進行了四次檢修，整體更換換熱器共計 18 臺，換芯、抽芯清洗換熱器 130 多臺，80% 的換熱器都有不同程度的損壞。

    對換熱器的腐蝕如何有效監測議題開始逐漸重視起來，各大煉廠希望尋找一種監測方法能對換熱器腐蝕狀況進行有效監控，并為冷換設備的工藝防腐提供指導性的建議，以能延長設備的使用周期，減少由于腐蝕而導致停車的事故發生，降低煉廠經濟損失，提高安全生產效益。

    煉化廠常見的換熱器

    換熱器按工作原理可分為三大類：直接混合式、蓄熱式以及間壁式。在煉油工藝裝置中應用較多的是間壁式的列管式換熱器（又叫管殼式換熱器），管殼式換熱器外形是圓筒體，筒體內排列許多小管子，冷熱兩種流體分別在管內外流動，在管內流動的叫管程流體，在管外流動的叫殼程流體，熱流通過管壁把熱量傳遞給冷流。

    管殼式換熱器按照管束和殼體的連接方式，大致可分為三種，浮頭式管殼換熱器、固定管板式換熱器和 U 型管式換熱器。

    1.浮頭式換熱器

圖1 浮頭式換熱器結構圖

    圖 1 是浮頭式換熱器的結構圖，兩端分別設計固定管板和活動管板，浮頭可以沿管長方向在殼體內自由移動，不會由于兩流體溫差太大而產生溫差應力，管束還可以拉出來清洗或更換，適用各種溫差類別流體的換熱，是目前煉廠應用最多的一類換熱器。

    2.固定管板式換熱器

圖2 固定管板式換熱器結構圖

    圖 2 是固定管板式換熱器的結構圖，其特點就是兩端管板都與殼體固定連接，管束與殼體不能相對移動。這種換熱器結構堅固、處理量大、適應性強，成產成本低。但是當管子與殼體溫度相差較大時，由于膨脹程度不同，會產生較大的熱應力，并且不易清洗，適用于溫差較小、不易結垢的流體換熱。

    3.U型管式換熱器

圖3 U型管式換熱器結構圖

    圖 3 是 U 型管式換熱器的結構圖，U 型管式換熱器的每一束管子都被制成不同曲率半徑的 U 形，其兩端都固定在同一塊管板上，并用隔板將封頭隔成兩室?？蛇m用于溫差較大的兩流體，構造簡單，生產成本低，但是 U 形部分管子清洗困難，U 型管排列數目少，傳熱面積小。適用于溫差大、不易結垢的流體。

    煉廠所用的換熱器大多數是以上幾種，還有別的類型例如套管式換熱器、沉浸式換熱器、噴淋式換熱器等等，都存在各自的特點和缺陷。

    換熱器常見的腐蝕失效類型

    煉廠中換熱器腐蝕種類很多，但根據腐蝕機理類型分為兩大類：電化學腐蝕；物理腐蝕。

    1.電化學腐蝕

    換熱器電化學腐蝕的表現形式主要是：析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

    ⑴酸性介質中發生的析氫腐蝕

    換熱器在流體介質中，存在雜質介質的附著和金屬基體本身不均勻的原因，導致不同部位形成微小的電極電位差，在局部電池作用下會發生腐蝕，在不同的介質環境下會產生不同的腐蝕類型，如在酸性水溶液下會發生析氫腐蝕，金屬在陽極區以離子的形式溶解：

    Fe → Fe ²⁺ +2e（陽極）

    同時伴隨著氫氣在陰極區域析出：

    2H + +2e → H ₂ （陰極）

    因此在酸性水溶液狀態下，會導致金屬的腐蝕性溶解。如有氯離子存在時，腐蝕更加劇烈，金屬與水溶液接觸時，水分子定向地吸附在金屬表面，產生一層氧化物即金屬表面的鈍化膜，氯離子具有很高的極性和很強的穿透性，能穿透金屬表面的鈍化膜，與金屬相互作用，形成可溶性化合物（氯化亞鐵、氯化鐵等），并且不斷發生溶解，腐蝕產物及介質在蝕點底部越濃縮，作用越厲害，蝕洞越深，最終形成坑蝕。圖 4、5 是某煉化廠常頂水冷器的低溫 H 2 S-HCL-H 2 O 腐蝕腐蝕形貌。該水冷器殼程操作介質為常頂油氣，殼體 / 管束材質分別為 16MnR/09Cr2ALMoRE，殼進出口操作溫度分別為60℃-40℃， 由于常頂氣體冷凝形成H 2 S-HCL-H 2 O的酸液后，對管束外壁形成深度在 0.5-1.5mm 的腐蝕坑。

圖4 管束外壁坑蝕形貌

圖5 管束外壁坑蝕形貌

    ⑵中性介質或弱堿性介質中發生的吸氧反應

    在弱堿性或中性水溶液中，換熱器的腐蝕則為吸氧腐蝕，水質中存在的一些雜質吸附在金屬基體上形成鐵的氧化物、氫氧化物垢層，這些垢層與金屬表面存在電位差，產生電化學反應從而造成金屬垢下腐蝕。由于循環水呈中性，所以其反應如下：

    O ₂ +H ₂ O+4e → 4OH ^- （陰極）

    垢層下基體金屬發生溶解反應：

    Fe → Fe ²⁺ +2e（陽極）

    基體金屬由于垢下電化學腐蝕，不斷失去電子產生 Fe ²⁺溶解。另外冷卻水中含有少量的 Mg ²⁺ 、Ca ²⁺ 等碳酸氫鹽，在一定環境下會發生反應：

    Ca（HCO ₃ ） ₂ +2OH ^- → CaCO ₃ +2H ₂ O+CO ₃ ^2-轉化為碳酸鹽沉積在垢層中，使得垢層的加厚，垢層內應力隨之增加，垢層出現開裂、脫落和鼓泡傾向。

    圖 6 溶劑再生塔頂冷凝器封頭的腐蝕形貌。該換熱器的殼程的操作介質為循環水，操作溫度為 33-41℃，操作壓力為0.4-0.388MPa，材質為 16MnR。檢查結果發現在運行過程中，由于循環水在管箱內結黃褐色硬質垢，導致垢下發生深度為0.2 ~ 0.4mm 不一的坑蝕，如圖 6、7 所示。

圖6 管箱腐蝕形貌圖

圖7 管箱接管腐蝕形貌

    2.物理腐蝕

    在煉廠生產過程中，常見的物理腐蝕現象是金屬表面的沖刷減薄現象。這種現象是由于介質流體作用于金屬表面，經過長時間不斷的積累達到物理磨損的一種破壞形式。有些裝置加工量大，殼程流體流速快，在高速流體的沖擊作用下，從而誘發管子振動加劇，金屬表面的保護膜破損，破損處的金屬會被介質流體等進一步腐蝕，加快腐蝕的速率，管子振動與介質的磨損共同作用造成沖刷腐蝕。如果高流速和湍流狀的液體中還含有氣泡或者固體離子，磨損腐蝕就會更加嚴重。圖 8 是某煉廠抽提蒸餾塔立式再沸器殼程入口的腐蝕圖，圖 9 是入口筒體的局部放大圖，管程介質為環丁砜與芳烴，其殼程介質為蒸汽，操作溫度達 175℃，壓力約 0.1Mpa，殼程入口內壁呈現有方向性的溝槽，典型的換熱器沖刷腐蝕。

    這種現象常發生在換熱器入口、出口及折流板處出現泄漏，這些部位的管子凹陷現象明顯，管子外徑縮小，管壁減薄嚴重，呈現局部的溝槽、波紋等形狀，并顯示方向性。

圖8 再沸器殼體入口沖刷腐蝕圖

圖9 入口管筒腐蝕圖

    換熱器腐蝕的監測方法

    1.監測換熱器法

    目前大部分煉廠是通過采用監測換熱器的方式來對循環水進行監測，監測換熱器主要用來對循環冷卻水系統中換熱器的腐蝕與結垢情況進行現場監測，其工作條件最接近實際工作換熱器的工況，具有檢測容易、拆裝方便等優點。用監測換熱器監測冷卻水中污垢的情況可以從三方面進行：一是運行一段時間后，將換熱管剖開，觀察其中污垢的沉積情況，測定污垢厚度；二是測定冷卻水運行時的污垢熱阻，從而預測或判斷換熱器內沉積物的堆積程度；三是通過對換熱管的化學處理計算出黏附速率及腐蝕率。但是監測換熱器一般只能監測一個循環水的腐蝕情況，不能直接反映出各臺工藝換熱器的腐蝕情況， 所以要選擇一些更加全面、 有效的監測方法，來監測換熱器的總體腐蝕情況。

    2.掛片失重法

    掛片失重法的原理是通過測量金屬掛片腐蝕前后的質量損耗，來計算金屬腐蝕速率。它具有操作簡單，數據可靠性高的優點，可作為設備選材的依據，也可作為其它腐蝕監測數據的對比。它的缺點是測量周期過長，沒有時效性，不能及時反應煉廠設備的腐蝕情況，由于掛入前后都需要人為化學處理，勞動強度大，且管片掛入設備也比較麻煩，煉廠通常是利用裝置停工檢修時在設備重點腐蝕部位掛入腐蝕掛片，待下次停工檢修時取出，周期為兩到三年，測量周期過長。

    也有將測量周期縮短改進的，例如廣西石化循環水場就有周期為一個月的探針掛片，但是其時間短，其所得數據往往偏小且不穩定，有時甚至得不到結果，因此掛片失重法存在一定的局限性。

    3.電阻探針法

    電阻探針法是可用于所有類型腐蝕環境的實施在線儀器測量技術。 在腐蝕性介質中， 作為測量元件的金屬絲被腐蝕后，金屬絲長度不變、直徑減小，電阻增大，通過測試電阻的變化來換算出金屬絲的腐蝕減薄量。

    金屬材料在某一溫度下電阻值：

    R=ρ×L/S

    （式中：ρ——材料的電阻率， L——為材料的長度， S——材料的截面積 ）長度一定的金屬材料在腐蝕減薄后其截面積減少，電阻值增大，我們只要測得其電阻的變化值，即可算出其減薄量。

    但是溫度對金屬材料的電阻率會有一定影響，為了消除溫度的影響，在電阻探針內放入溫度補償原件。電阻探針的優點是不僅可以應用于電解質腐蝕體系，也可以應用于非電解質體系，它操作較為簡單，成本也適中，是目前使用比較廣泛的在線腐蝕監測方法。但是由于其測量精度低，電阻絲上的局部腐蝕點對測量結果影響比較大，探針絲的強度低壽命短等原因，慢慢的被電感探針所取代。

    4.電感探針法

    電感探針方法是測量金屬探針在腐蝕前后的試片減薄量引發的電阻差異的變化來測量腐蝕速率，一般將探針安裝于換熱器的入口和出口處進行監測。當腐蝕發生時，探針減薄，阻值增大，交流壓降增大。此時利用兩個時間段信號差值，計算減薄量，從而獲得其腐蝕速率，探頭內部設置補償元件，用于消除溫度變化的影響（金屬電阻在一定范圍內隨溫度的增大而增大）。由于激勵信號采用交流信號，所以抗干擾能力強，測量精度和靈敏度都較電阻探針高。其電路檢測原理見圖 10。

圖10 電感探針的電路檢測原理圖

    探針采用管狀和片狀結構，探針的溫度補償控制更為理想，所以數據波動小，更有利于指導工藝防腐措施的實施，并且電感探針的壽命也較電阻探針長，而且針對不同溫度、壓力的介質，都有其適合的類型。

    5.電化學探針法

    電化學探針腐蝕在線監測系統基于電化學 Stern&Geary 定律，即在腐蝕電位附近電流的變化和電位的變化之間成直線關系，其斜率與腐蝕速度成反比：

    （ 其 中：B—— 極 化 常 數， 由 金 屬 材 料 和 介 質 決 定Rp——極化電阻 ）

    電化學探針的優點是測量迅速，可以測得瞬時腐蝕速度，及時反映設備操作條件的變化。但只適用于電解質溶液，因此多用在循環水系統的腐蝕監控。

    6.超聲波測厚法

    超聲波測厚是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度，獲得腐蝕的結果。隨著在線超聲波檢測法發展，該方法也被廣泛使用在高空，高危部位，以實時監控腐蝕情況，確保裝置設備的安全運行。但與傳統的超聲波測厚檢測方法類似均是采用現場工作人員的經驗來選擇測試部位，由于腐蝕出現的隨機性，導致該方法不能確保測試結果有效性，如何選擇有效的測試部位，還需要專業技術人員采用科學的方法來選擇。

    7.其它監測方法

    除了上述的監測方法外，還有一些特殊用處的監測方法，例如：在線監測冷換設備傳熱系數和污垢熱阻，用來指導冷換設備維修清洗；在線監測循環水的水中油含量及時判斷冷換設備的泄露和監測循環水的 pH 值來監測水質，判斷冷換設備的泄漏問題等。

    結論與展望

    換熱器的腐蝕監測方法很多，且各有特點，現場選擇過程中需要綜合考量不同的腐蝕類型、去選擇最合適的腐蝕監測方法以便能對換熱器進行有效監測；在現場復雜的環境中，往往可以采用多種監測方法結合，以便達到更理想的監測效果。

    煉廠中的不僅僅存在換熱器的腐蝕問題，其它設備裝置的腐蝕問題也層出不窮，因此在生產過程中始終要貫徹好腐蝕監測管理，堅持以設備完整性管理為指導理念，來提高防腐管理水平，它是一個完善、系統的管理過程，以保證設備完整性為首要任務，用整體優化、均衡的方式管理設備整個生命周期，實現設備運行本質安全和節約設備維持成本，并讓其可持續發展。

    參考文獻

    [1]胥聰敏，張耀亨，程光旭，朱文勝。 國外煉油廠換熱設備腐蝕研究現狀及發展動態[J].石油化工設備，2005,01:41-46.

    [2]支浩，湯慧萍，朱紀磊。換熱器的研究發展現狀[J].化工進展，2009,v.28S1:338-342.

    （注：本文參考文獻共22個，若需要，請聯系本刊編輯部。）

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責任編輯：邢云輝

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