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

    鑒于國(guó)內(nèi)重質(zhì)油加工比例的越來(lái)越大，煉廠生產(chǎn)設(shè)備服役的腐蝕環(huán)境劣化，腐蝕問(wèn)題也日益嚴(yán)重與復(fù)雜化，導(dǎo)致煉廠換熱器設(shè)備的安全運(yùn)行受到了前所未有的嚴(yán)峻考驗(yàn)。換熱器發(fā)生泄漏的事故也屢見(jiàn)不鮮，例如遼陽(yáng)石化分公司煉油廠第二循環(huán)水場(chǎng)，僅 2000 年 1 ~ 10 月就有 13 臺(tái)水冷器泄漏；延長(zhǎng)集團(tuán)延安煉油廠，從 2007 年 7 月到 2010 年 6 月這三年里，該煉廠對(duì)煉化裝置的檢修就進(jìn)行了四次檢修，整體更換換熱器共計(jì) 18 臺(tái)，換芯、抽芯清洗換熱器 130 多臺(tái)，80% 的換熱器都有不同程度的損壞。

    對(duì)換熱器的腐蝕如何有效監(jiān)測(cè)議題開(kāi)始逐漸重視起來(lái)，各大煉廠希望尋找一種監(jiān)測(cè)方法能對(duì)換熱器腐蝕狀況進(jìn)行有效監(jiān)控，并為冷換設(shè)備的工藝防腐提供指導(dǎo)性的建議，以能延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，減少由于腐蝕而導(dǎo)致停車(chē)的事故發(fā)生，降低煉廠經(jīng)濟(jì)損失，提高安全生產(chǎn)效益。

    煉化廠常見(jiàn)的換熱器

    換熱器按工作原理可分為三大類(lèi)：直接混合式、蓄熱式以及間壁式。在煉油工藝裝置中應(yīng)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(nèi)排列許多小管子，冷熱兩種流體分別在管內(nèi)外流動(dòng)，在管內(nèi)流動(dòng)的叫管程流體，在管外流動(dòng)的叫殼程流體，熱流通過(guò)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(jié)構(gòu)圖

    圖 1 是浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)圖，兩端分別設(shè)計(jì)固定管板和活動(dòng)管板，浮頭可以沿管長(zhǎng)方向在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，不會(huì)由于兩流體溫差太大而產(chǎn)生溫差應(yīng)力，管束還可以拉出來(lái)清洗或更換，適用各種溫差類(lèi)別流體的換熱，是目前煉廠應(yīng)用最多的一類(lèi)換熱器。

    2.固定管板式換熱器

圖2 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖

    圖 2 是固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖，其特點(diǎn)就是兩端管板都與殼體固定連接，管束與殼體不能相對(duì)移動(dòng)。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、處理量大、適應(yīng)性強(qiáng)，成產(chǎn)成本低。但是當(dāng)管子與殼體溫度相差較大時(shí)，由于膨脹程度不同，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，并且不易清洗，適用于溫差較小、不易結(jié)垢的流體換熱。

    3.U型管式換熱器

圖3 U型管式換熱器結(jié)構(gòu)圖

    圖 3 是 U 型管式換熱器的結(jié)構(gòu)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(gòu)造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，但是 U 形部分管子清洗困難，U 型管排列數(shù)目少，傳熱面積小。適用于溫差大、不易結(jié)垢的流體。

    煉廠所用的換熱器大多數(shù)是以上幾種，還有別的類(lèi)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(diǎn)和缺陷。

    換熱器常見(jiàn)的腐蝕失效類(lèi)型

    煉廠中換熱器腐蝕種類(lèi)很多，但根據(jù)腐蝕機(jī)理類(lèi)型分為兩大類(lèi)：電化學(xué)腐蝕；物理腐蝕。

    1.電化學(xué)腐蝕

    換熱器電化學(xué)腐蝕的表現(xiàn)形式主要是：析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

    ⑴酸性介質(zhì)中發(fā)生的析氫腐蝕

    換熱器在流體介質(zhì)中，存在雜質(zhì)介質(zhì)的附著和金屬基體本身不均勻的原因，導(dǎo)致不同部位形成微小的電極電位差，在局部電池作用下會(huì)發(fā)生腐蝕，在不同的介質(zhì)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生不同的腐蝕類(lèi)型，如在酸性水溶液下會(huì)發(fā)生析氫腐蝕，金屬在陽(yáng)極區(qū)以離子的形式溶解：

    Fe → Fe ²⁺ +2e（陽(yáng)極）

    同時(shí)伴隨著氫氣在陰極區(qū)域析出：

    2H + +2e → H ₂ （陰極）

    因此在酸性水溶液狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致金屬的腐蝕性溶解。如有氯離子存在時(shí)，腐蝕更加劇烈，金屬與水溶液接觸時(shí)，水分子定向地吸附在金屬表面，產(chǎn)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(qiáng)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(fā)生溶解，腐蝕產(chǎn)物及介質(zhì)在蝕點(diǎn)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(zhì)為常頂油氣，殼體 / 管束材質(zhì)分別為 16MnR/09Cr2ALMoRE，殼進(jìn)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(duì)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(zhì)或弱堿性介質(zhì)中發(fā)生的吸氧反應(yīng)

    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(zhì)中存在的一些雜質(zhì)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(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)從而造成金屬垢下腐蝕。由于循環(huán)水呈中性，所以其反應(yīng)如下：

    O ₂ +H ₂ O+4e → 4OH ^- （陰極）

    垢層下基體金屬發(fā)生溶解反應(yīng)：

    Fe → Fe ²⁺ +2e（陽(yáng)極）

    基體金屬由于垢下電化學(xué)腐蝕，不斷失去電子產(chǎn)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(huán)境下會(huì)發(fā)生反應(yīng)：

    Ca（HCO ₃ ） ₂ +2OH ^- → CaCO ₃ +2H ₂ O+CO ₃ ^2-轉(zhuǎn)化為碳酸鹽沉積在垢層中，使得垢層的加厚，垢層內(nèi)應(yīng)力隨之增加，垢層出現(xiàn)開(kāi)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(zhì)為循環(huán)水，操作溫度為 33-41℃，操作壓力為0.4-0.388MPa，材質(zhì)為 16MnR。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中，由于循環(huán)水在管箱內(nèi)結(jié)黃褐色硬質(zhì)垢，導(dǎo)致垢下發(fā)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(chǎn)過(guò)程中，常見(jiàn)的物理腐蝕現(xiàn)象是金屬表面的沖刷減薄現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于介質(zhì)流體作用于金屬表面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間不斷的積累達(dá)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(fā)管子振動(dòng)加劇，金屬表面的保護(hù)膜破損，破損處的金屬會(huì)被介質(zhì)流體等進(jìn)一步腐蝕，加快腐蝕的速率，管子振動(dòng)與介質(zhì)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(huì)更加嚴(yán)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(zhì)為環(huán)丁砜與芳烴，其殼程介質(zhì)為蒸汽，操作溫度達(dá) 175℃，壓力約 0.1Mpa，殼程入口內(nèi)壁呈現(xiàn)有方向性的溝槽，典型的換熱器沖刷腐蝕。

    這種現(xiàn)象常發(fā)生在換熱器入口、出口及折流板處出現(xiàn)泄漏，這些部位的管子凹陷現(xiàn)象明顯，管子外徑縮小，管壁減薄嚴(yán)重，呈現(xiàn)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(jiān)測(cè)方法

    1.監(jiān)測(cè)換熱器法

    目前大部分煉廠是通過(guò)采用監(jiān)測(cè)換熱器的方式來(lái)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)換熱器主要用來(lái)對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器的腐蝕與結(jié)垢情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其工作條件最接近實(shí)際工作換熱器的工況，具有檢測(cè)容易、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。用監(jiān)測(cè)換熱器監(jiān)測(cè)冷卻水中污垢的情況可以從三方面進(jìn)行：一是運(yùn)行一段時(shí)間后，將換熱管剖開(kāi)，觀察其中污垢的沉積情況，測(cè)定污垢厚度；二是測(cè)定冷卻水運(yùn)行時(shí)的污垢熱阻，從而預(yù)測(cè)或判斷換熱器內(nèi)沉積物的堆積程度；三是通過(guò)對(duì)換熱管的化學(xué)處理計(jì)算出黏附速率及腐蝕率。但是監(jiān)測(cè)換熱器一般只能監(jiān)測(cè)一個(gè)循環(huán)水的腐蝕情況，不能直接反映出各臺(tái)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(jiān)測(cè)方法，來(lái)監(jiān)測(cè)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(guò)測(cè)量金屬掛片腐蝕前后的質(zhì)量損耗，來(lái)計(jì)算金屬腐蝕速率。它具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可作為設(shè)備選材的依據(jù)，也可作為其它腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。它的缺點(diǎn)是測(cè)量周期過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)有時(shí)效性，不能及時(shí)反應(yīng)煉廠設(shè)備的腐蝕情況，由于掛入前后都需要人為化學(xué)處理，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且管片掛入設(shè)備也比較麻煩，煉廠通常是利用裝置停工檢修時(shí)在設(shè)備重點(diǎn)腐蝕部位掛入腐蝕掛片，待下次停工檢修時(shí)取出，周期為兩到三年，測(cè)量周期過(guò)長(zhǎng)。

    也有將測(cè)量周期縮短改進(jìn)的，例如廣西石化循環(huán)水場(chǎng)就有周期為一個(gè)月的探針掛片，但是其時(shí)間短，其所得數(shù)據(jù)往往偏小且不穩(wěn)定，有時(shí)甚至得不到結(jié)果，因此掛片失重法存在一定的局限性。

    3.電阻探針?lè)?/span>

    電阻探針?lè)ㄊ强捎糜谒蓄?lèi)型腐蝕環(huán)境的實(shí)施在線儀器測(cè)量技術(shù)。 在腐蝕性介質(zhì)中， 作為測(cè)量元件的金屬絲被腐蝕后，金屬絲長(zhǎng)度不變、直徑減小，電阻增大，通過(guò)測(cè)試電阻的變化來(lái)?yè)Q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(zhǎng)度， S——材料的截面積 ）長(zhǎng)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(cè)得其電阻的變化值，即可算出其減薄量。

    但是溫度對(duì)金屬材料的電阻率會(huì)有一定影響，為了消除溫度的影響，在電阻探針內(nèi)放入溫度補(bǔ)償原件。電阻探針的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以應(yīng)用于電解質(zhì)腐蝕體系，也可以應(yīng)用于非電解質(zhì)體系，它操作較為簡(jiǎn)單，成本也適中，是目前使用比較廣泛的在線腐蝕監(jiān)測(cè)方法。但是由于其測(cè)量精度低，電阻絲上的局部腐蝕點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響比較大，探針絲的強(qiáng)度低壽命短等原因，慢慢的被電感探針?biāo)〈?/span>

    4.電感探針?lè)?/span>

    電感探針?lè)椒ㄊ菧y(cè)量金屬探針在腐蝕前后的試片減薄量引發(fā)的電阻差異的變化來(lái)測(cè)量腐蝕速率，一般將探針安裝于換熱器的入口和出口處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)，探針減薄，阻值增大，交流壓降增大。此時(shí)利用兩個(gè)時(shí)間段信號(hào)差值，計(jì)算減薄量，從而獲得其腐蝕速率，探頭內(nèi)部設(shè)置補(bǔ)償元件，用于消除溫度變化的影響（金屬電阻在一定范圍內(nèi)隨溫度的增大而增大）。由于激勵(lì)信號(hào)采用交流信號(hào)，所以抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度和靈敏度都較電阻探針高。其電路檢測(cè)原理見(jiàn)圖 10。

圖10 電感探針的電路檢測(cè)原理圖

    探針采用管狀和片狀結(jié)構(gòu)，探針的溫度補(bǔ)償控制更為理想，所以數(shù)據(jù)波動(dòng)小，更有利于指導(dǎo)工藝防腐措施的實(shí)施，并且電感探針的壽命也較電阻探針長(zhǎng)，而且針對(duì)不同溫度、壓力的介質(zhì)，都有其適合的類(lèi)型。

    5.電化學(xué)探針?lè)?/span>

    電化學(xué)探針腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于電化學(xué) 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(guān)系，其斜率與腐蝕速度成反比：

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

    電化學(xué)探針的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量迅速，可以測(cè)得瞬時(shí)腐蝕速度，及時(shí)反映設(shè)備操作條件的變化。但只適用于電解質(zhì)溶液，因此多用在循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)控。

    6.超聲波測(cè)厚法

    超聲波測(cè)厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度，獲得腐蝕的結(jié)果。隨著在線超聲波檢測(cè)法發(fā)展，該方法也被廣泛使用在高空，高危部位，以實(shí)時(shí)監(jiān)控腐蝕情況，確保裝置設(shè)備的安全運(yùn)行。但與傳統(tǒng)的超聲波測(cè)厚檢測(cè)方法類(lèi)似均是采用現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇測(cè)試部位，由于腐蝕出現(xiàn)的隨機(jī)性，導(dǎo)致該方法不能確保測(cè)試結(jié)果有效性，如何選擇有效的測(cè)試部位，還需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員采用科學(xué)的方法來(lái)選擇。

    7.其它監(jiān)測(cè)方法

    除了上述的監(jiān)測(cè)方法外，還有一些特殊用處的監(jiān)測(cè)方法，例如：在線監(jiān)測(cè)冷換設(shè)備傳熱系數(shù)和污垢熱阻，用來(lái)指導(dǎo)冷換設(shè)備維修清洗；在線監(jiān)測(cè)循環(huán)水的水中油含量及時(shí)判斷冷換設(shè)備的泄露和監(jiān)測(cè)循環(huán)水的 pH 值來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，判斷冷換設(shè)備的泄漏問(wèn)題等。

    結(jié)論與展望

    換熱器的腐蝕監(jiān)測(cè)方法很多，且各有特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)選擇過(guò)程中需要綜合考量不同的腐蝕類(lèi)型、去選擇最合適的腐蝕監(jiān)測(cè)方法以便能對(duì)換熱器進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)；在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境中，往往可以采用多種監(jiān)測(cè)方法結(jié)合，以便達(dá)到更理想的監(jiān)測(cè)效果。

    煉廠中的不僅僅存在換熱器的腐蝕問(wèn)題，其它設(shè)備裝置的腐蝕問(wèn)題也層出不窮，因此在生產(chǎn)過(guò)程中始終要貫徹好腐蝕監(jiān)測(cè)管理，堅(jiān)持以設(shè)備完整性管理為指導(dǎo)理念，來(lái)提高防腐管理水平，它是一個(gè)完善、系統(tǒng)的管理過(guò)程，以保證設(shè)備完整性為首要任務(wù)，用整體優(yōu)化、均衡的方式管理設(shè)備整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行本質(zhì)安全和節(jié)約設(shè)備維持成本，并讓其可持續(xù)發(fā)展。

    參考文獻(xiàn)

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    [2]支浩，湯慧萍，朱紀(jì)磊。換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，2009,v.28S1:338-342.

    （注：本文參考文獻(xiàn)共22個(gè)，若需要，請(qǐng)聯(lián)系本刊編輯部。）

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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