1不銹鋼冷凝器失效情況
某乙烯工廠的碳五分離裝置于2013年8月新建投產(chǎn)，運(yùn)行至2014年5月，裝置組織停工檢修，其脫輕塔不銹鋼冷凝器E307(以下簡(jiǎn)稱(chēng)E307)經(jīng)試壓，發(fā)現(xiàn)有9根管子穿孔泄漏，進(jìn)行堵管處理，堵頭大端23mm，小端18mm，長(zhǎng)度35mm，維持該設(shè)備運(yùn)行。運(yùn)行至2015年5月時(shí)，E307泄漏加劇，經(jīng)打壓試驗(yàn)檢查，發(fā)現(xiàn)新增漏管42根，再次實(shí)施堵管處理。經(jīng)檢查，殼程浮頭大頭蓋內(nèi)積有較多的黏泥污垢。對(duì)E307管束抽芯檢查，管束表面可見(jiàn)附著大量的黏泥，清除黏泥后，發(fā)現(xiàn)管束表面有一薄層水垢沉積物，質(zhì)地較硬。采用高壓水清洗方法去除沉積物后，又有12根管泄漏(繼續(xù)實(shí)施堵管)，可觀察到管束表層存在嚴(yán)重的腐蝕坑點(diǎn)，具有垢下腐蝕特征(見(jiàn)圖1)?？梢耘袛啵珽307穿孔泄漏的原因，是因腐蝕造成的。
2E307腐蝕因素分析
2.1E307概況
E307基本參數(shù)如表1所示，相關(guān)部件規(guī)格材質(zhì)如表2所示。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行的工況條件，不銹鋼冷凝器E307相關(guān)部件、附件的材質(zhì)選用均屬正常。
2.2黏泥樣品分析
取E307管束外表面黏泥樣品進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果顯示:樣品中，550℃灼燒質(zhì)量損失達(dá)到29.63%;腐蝕產(chǎn)物Fe2O3占樣品組分的7.53%;結(jié)垢因子(CaO+MgO+P2O5+950℃灼燒質(zhì)量損失)占樣品組分的30.06%。揭示出E307管束存在腐蝕的基本條件，同時(shí)也反映出了腐蝕發(fā)生的結(jié)果。
2.3沉積物類(lèi)型判斷
由表3黏泥樣品分析結(jié)果及表4沉積物判斷參照表得出:黏泥因子29.6%屬污泥型;腐蝕因子7.53%偏結(jié)垢型;結(jié)垢因子21.39%屬污泥型，因此，判斷該換熱器屬于垢下腐蝕和黏泥微生物腐蝕，以黏泥微生物腐蝕為主。
3E307的腐蝕機(jī)理討論
E307殼程介質(zhì)為敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)所提供的冷卻水，其通過(guò)熱回水在涼水塔噴淋過(guò)程中的蒸發(fā)來(lái)起到冷卻作用，噴淋過(guò)程中，水和空氣充分接觸，水中的氧常處于飽和狀態(tài)，水中氧會(huì)引起金屬鐵的嚴(yán)重腐蝕;同時(shí)，循環(huán)水中孳生、繁殖的微生物形成生物黏泥，會(huì)帶來(lái)金屬鐵的局部腐蝕及其他危害［1］。多重腐蝕因素的共同作用，造成了E307管束的穿孔泄漏。
3.1E307的循環(huán)水腐蝕
如表2所述，E307管束材質(zhì)為10號(hào)碳素鋼，其在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到水中溶解氧的腐蝕，這是因?yàn)?，和水接觸的金屬由于其化學(xué)成分的不均勻性、氧濃差、溫差等不均一性所造成的電位差異，構(gòu)成了宏觀或微觀電池。在電池的陰陽(yáng)很上發(fā)生了以下電化學(xué)反應(yīng)，使金屬產(chǎn)生腐蝕。
陽(yáng)很反應(yīng):2Fe→2Fe2++4e
陰很反應(yīng):2H2O+O2+4e→4OH－
總反應(yīng):2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2
在氧的作用下，反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行:
4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3
Fe(OH)3在金屬表面沉積，脫水而形成鐵銹Fe2O3。
2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O
E307作為不銹鋼冷凝器在循環(huán)水中所遭受腐蝕的程度，往往與pH值、溫度、溶解氧濃度等因素相關(guān)［2］。E307殼程介質(zhì)是循環(huán)水，循環(huán)水pH值為6～9，殼程循環(huán)水的進(jìn)出口溫度為33～43℃，循環(huán)水中溶解氧濃度接近飽和，此溫度下溶解氧含量為6～10μg∕g，在此條件下，氧是陰很去很化劑，金屬腐蝕主要受氧的擴(kuò)散速度控制，腐蝕速度與氧濃度成正比。
循環(huán)水中溶有碳酸氫鈣、碳酸氫鎂等不穩(wěn)定鹽類(lèi)，水流經(jīng)過(guò)不銹鋼冷凝器管束表面受熱時(shí)產(chǎn)生反應(yīng):
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑
同時(shí)，水處理劑中含有磷酸鹽，遇到鈣離子時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)形成沉淀:
2PO3－4+3Ca2+→Ca3(PO4)2↓
CaCO3，Ca3(PO4)2等溶解度小，均是難溶性鹽，結(jié)晶沉淀在不銹鋼冷凝器管束表面形成水垢。正是這些水垢，很大促進(jìn)氧濃差腐蝕發(fā)生的條件，加劇了E307管束的腐蝕。
前述黏泥樣品化學(xué)分析結(jié)果顯示，結(jié)垢因子(CaO-MgO-P2O5)達(dá)到樣品組分的21.39%，外觀形貌觀察結(jié)果表明，E307管束表面附著水垢沉積物，E307管束附著物中腐蝕產(chǎn)物Fe2O3達(dá)到7.53%，以上證據(jù)均印證了其循環(huán)水腐蝕的存在。3.2E307的微生物腐蝕及危害工業(yè)循環(huán)冷卻水污垢和腐蝕產(chǎn)物在550℃灼燒失去的質(zhì)量為550℃灼燒失重，其燒失組成主要包括有機(jī)物、生物黏泥、化合水和硫化物。一般來(lái)說(shuō)，如果灼燒質(zhì)量損失達(dá)到40%～60%，可以認(rèn)為污垢主要成分是生物黏泥，灼燒質(zhì)量損失大于20%時(shí)，表明有相當(dāng)數(shù)量的生物黏泥存在。圖2和圖3反映出，E307循環(huán)水側(cè)(殼程)存在較多的黏泥。如前所述，E307管束所附著黏泥樣品550℃灼燒質(zhì)量損失達(dá)到29.63%，證實(shí)E307管束遭受到微生物的腐蝕和危害。
敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，有充足的陽(yáng)光、氧氣、二氧化碳、有機(jī)物以及適宜的水溫，為微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了便利條件，使其得到良好的繁殖。真菌、細(xì)菌和藻類(lèi)，是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中造成腐蝕和其它危害的三種微生物，它們的危害有:
(1)產(chǎn)生酸微生物在沉積物下繁殖，消耗氧氣，產(chǎn)生的代謝物呈酸性，使局部微環(huán)境pH值降低，造成設(shè)備的腐蝕。如硫酸鹽還原菌，將硫酸鹽轉(zhuǎn)化成酸性物質(zhì)，使設(shè)備局部呈酸性而遭受腐蝕;
(2)生成生物黏泥在設(shè)備低流速區(qū)的表面沉積附著，既降低了設(shè)備的換熱效率，又形成氧濃差電池，加劇了設(shè)備的局部腐蝕;
(3)破壞金屬表面的保護(hù)膜一些微生物以烴類(lèi)或某些有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)，它會(huì)破壞有機(jī)緩蝕劑在金屬表面形成的保護(hù)膜，促進(jìn)了設(shè)備的腐蝕。
4腐蝕防護(hù)措施
4.1改善水質(zhì)
E307管束附著大量的黏泥污垢，很大促進(jìn)設(shè)備的腐蝕，水質(zhì)改善有待加強(qiáng)。主要措施有如下幾個(gè)方面:首先是加強(qiáng)補(bǔ)充水的處理，要采用混凝、沉清、過(guò)濾等方法，去除原水中泥沙、蟲(chóng)類(lèi)、微生物等懸浮雜質(zhì);采用軟化、除鹽等方法，減少或調(diào)質(zhì)原水中鈣、鎂、鈉、碳酸根、硫酸根等溶解性雜質(zhì)，使循環(huán)水達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］所要求的各項(xiàng)指標(biāo);其次是做好循環(huán)水旁流過(guò)濾，可去除循環(huán)水中懸浮物和油污，進(jìn)一步改善水質(zhì)。間冷開(kāi)式系統(tǒng)旁濾水量宜為循環(huán)水量的1%～5%;再一個(gè)是加強(qiáng)涼水塔遮蔽措施，防止藻類(lèi)生長(zhǎng)，防止灰沙、蟲(chóng)類(lèi)進(jìn)入水池;較后是選用高效低毒的非氧化性殺菌劑，輔用高效黏泥剝離劑，進(jìn)行殺菌滅藻，以抑制生物黏泥的大量產(chǎn)生［4］。
4.2合理控制循環(huán)水流速
因工藝原因，E307中，循環(huán)水為殼程介質(zhì)，流速較低，經(jīng)測(cè)算，較低時(shí)僅為0.1m/s，大大低于循環(huán)冷卻水殼程流速不得小于0.3m/s的要求。循環(huán)水流速低，會(huì)造成腐蝕產(chǎn)物和黏泥污垢的沉積，加劇設(shè)備的腐蝕。因此，應(yīng)保障循環(huán)冷卻水管程流速不小于0.9m/s;殼程流速不小于0.3m/s，并且，應(yīng)盡量避免冷卻器中存在流體死角及低流速區(qū)，否則，應(yīng)采取相應(yīng)防腐蝕措施。
4.3實(shí)施材料防腐措施
可針對(duì)E307循環(huán)水工作環(huán)境，選用合適的材料防腐措施［5］。目前國(guó)內(nèi)外換熱設(shè)備的材料防腐措施大致有以下幾種:一是涂層防腐，利用涂料把介質(zhì)與換熱設(shè)備基體屏蔽開(kāi)，中斷化學(xué)與電化學(xué)腐蝕途徑。二是鍍層防腐，即利用電鍍或化學(xué)鍍工藝在換熱器基體表面沉積一層致密的耐蝕金屬或合金來(lái)抵抗介質(zhì)的侵蝕。例如化學(xué)鍍鎳磷合金等［6-7］。三是材質(zhì)升級(jí)，即通過(guò)提升管束材質(zhì)等級(jí)達(dá)到防止設(shè)備腐蝕的目的，可將管束材質(zhì)由10號(hào)碳素鋼升級(jí)為304奧氏體不銹鋼。
5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)以上分析討論，得到如下結(jié)論:
(1)不銹鋼冷凝器E307管束的泄漏原因?yàn)楦g穿孔泄漏。
(2)造成設(shè)備腐蝕穿孔泄漏的原因，一是循環(huán)水對(duì)金屬的腐蝕;二是E307水側(cè)中生物黏泥的腐蝕和危害。
(3)提出了控制E307管束腐蝕的措施，一是改善水質(zhì);二是合理控制循環(huán)水流速;三是實(shí)施材料防腐蝕措施。
