固定管板式换热器腐蚀失效分析

摘要：介绍了固定管板式换热器的基本参数、作用，针对换热器的腐蚀情况，进行了水质化验、对换热器腐蚀部位进行了能谱分析、X-射线衍射检测分析和电镜检测，并对换热器结构进行了分析，确定了腐蚀失效原因，提出了具体改进的措施。

关键词：固定管板式换热器；腐蚀；失效分析

1 基本情况

大庆石化公司塑料厂6万t/年高压低密度聚乙烯装置，于1986年7月投入生产。第一循环气冷却器E-408I为该装置重要的设备，作用是对高压循环气体进行冷却，该换热器1995年由国内更新制造，材质为20#，壳程设计温度：200℃，设计压力为2.5MPa，介质为热水饱和蒸汽；管程设计温度为300℃，设计压力为40MPa，介质为乙烯。

口折流板管子腐蚀形貌

2003年11月，一根换热管发生泄漏，2005年6月，又有两根换热管泄漏。此次检测共取了2根管束，1根位于入口附近，1根位于出口附近。入口附近的管束特点（见图），折流板位置管束减薄很严重，抽管时折流板位置很容易折断，同时观察发现入口附近的管束折流板减薄的位置附近有一些小的腐蚀坑。出口附近的管束特点折流板附近也有减薄，但明显程度较入口附近轻很多。也没有腐蚀坑产生。

2 检测分析

管内壁走乙烯介质，内表面光滑没有明显结垢物和腐蚀产物生成，腐蚀不明显。E-408I腐蚀发生在壳程部位，因此重点对壳程从水质、能谱、X-射线衍射、扫描电镜几方面进行检测分析。

2.1 水质方面的调查

水质监测项目主要有：PH值、联胺含量、溶解氧、氯根、碱度、电导、铁离子等，从2008年以来水质监测数据来看，联氨含量、溶解氧、氯根、碱度、电导等项目合格；

2.2 E-408I 管束壳程入口管进行检测

2.2.1 E-408I 管束壳程入口管能谱分析

点1部位

Spectrum processing :

Peaks possibly omitted : 4.960, 7.450 keV

Processing option : All elements analyzed (Normalised)

Number of iterations = 4

Standard :

C CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM

O SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM

Mg MgO 1-Jun-1999 12:00 AM

Fe Fe 1-Jun-1999 12:00 AM

Element Weight% Atomic%

C K 9.16 19.42

O K 34.14 54.31

Mg K 0.73 0.77

Fe K 55.96 25.50

Totals 100.00

从元素检测情况看只发现了C、O、Mg、Fe。其中Fe和O含量最多，值得注意的是：从检测结果看Fe不是以氧化物形式存在。没有发现典型的其他腐蚀性元素，为使得检测结果具有普遍性，又增加3点进行检测。检测结论与点1相同。

2.2.2 E-408I 管束壳程入口X-射线衍射分析（XED）

通过X-射线衍射分析，化合物主要分布有Fe2O3、MgFe2+3O4、Fe2.95Si0.056O4、Mn2AlO4、MgFe2+3O4、Fe2Mn0.5Zn0.5O4、ZnFeVCrO4、CoFe2O4、Fe+2Fe2+3O4等，与能谱检测结果相呼应，以铁为主，其余有些元素应与系统杂质微量成分有关系，所检测到的化学成分中未发现典型腐蚀性介质，比如氯化物、硫化物、氮氧化物、硝酸根、硫酸根等。

2.2.3 E-408I 管束壳程入口部位扫描电镜检测

E-408I壳程部位分别做了500倍、1000倍、1500倍电镜扫描检测，发现有两个显著的特征，一是点蚀部位附近存在裂纹区（或微裂纹区）呈现海滩状分布或贝壳状分布，即存在一个源裂纹以此为中心呈散射状；二是裂纹区形貌类似树枝状，个别呈“米”字分布，这是典型的应力腐蚀形貌。

上述两个特征连贯交织，综合比对判定具有腐蚀疲劳特征，考虑E-408Ⅰ所使用的环境特征，细化之则可认为是“微振腐蚀”。

3 腐蚀机理分析结论

综合分析，该装置换热器E-408I主要系壳程部位发生微振腐蚀是造成设备腐蚀泄漏的主要原因，而管程几乎无腐蚀对设备整体寿命影响不大。

其机理分析如下：

3.1 E-408I壳程在使用中与折流板存在微振腐蚀是导致该管束发生腐蚀的主要原因

微振腐蚀过程中摩振作用破坏了金属保护膜，裸金属迅速氧化，磨损和氧化反复进行，使破坏加剧。另外，金属表面因受压产生冷焊或熔化，其后由于相对运动使金属颗粒脱落，并迅速氧化。二者都产生氧化锈粒，破坏金属界面，氧在疲劳振动腐蚀中很重要。

由于流体（饱和热水）在壳程中的流动，其产生共振效应，使得管束频率与流动介质发生某种共振，即产生周期性的振动和与折流板发生接触震荡损伤管束基体，加之受到腐蚀介质的电化学腐蚀影响，使得管束金属表面膜不断露出新鲜的金属基体，不断形成小阳极大阴极，震动碰撞部位为阳极，未受到直接损伤的部位为阴极，如此金属离子由于电化学的作用不断散失，腐蚀也不断进行下去，最终导致设备发生腐蚀泄漏。

3.2 E-408I管束壳程饱和热水含有一定的氧腐蚀，起到加速微振腐蚀的作用，对管束减薄贡献不大

在有氧的溶液中，碳钢的腐蚀反应为：Fe－2eFe2+ （阳极反应）

02＋2H20＋4e4OH- （阴极反应）

微振腐蚀过程造成的晶界滑移使得氧不断补充修复已破损的部位，未修复新鲜的金属晶界或缺陷处或含有杂质元素入S、Mn部位成为阳极，修复部位为阴极，氧的存在对行程小阳极大阴极电化学腐蚀起到有协同作用。

4 防腐措施及建议

4.1 降低壳程的使用温度，减少汽液相的共生共存；

4.2 增加涂料保护，涂料保护具有一定的弹性，对周期性的振动起到阻尼作用，吸收由于振动带来的周期性应力，可有效降低微振腐蚀和腐蚀疲劳。所采取的涂层防腐，应考虑耐冲击、抗冲刷、耐水腐蚀且有一定柔韧性并耐温150℃以上的防腐涂层做防腐处理，或采取渗锌加涂层联合防腐的方法，可大大延长管束的使用寿命，提高设备抗腐蚀风险的概率；

4.3 增加换热器加工精度，减少折流板与管束之间的空隙，也可以采取折流板热浸镀铝或固体包埋渗铝的方法减少折流板与管束之间的缝隙；

4.4 壳程折流板之间增加Al-Zn-In-Si牺牲阳极块，牺牲阳极间歇放出的氢气和微电子流可以减少金属管束发生应力腐蚀开裂，增加抵御应力腐蚀开裂的使用风险和概率。

牺牲阳极安装采用焊接方式，将牺牲阳极铁芯与管束折流板接触部位均匀焊满，严禁产生假焊现象，并将焊渣清除干净，严禁牺牲阳极表面污染油污等；

4.5 碳钢渗锌防腐也可以作为防腐手段的选择之一；

5 结语

换热器的失效大多数是由腐蚀引起，最常见的腐蚀部位是换热管。以上针对该装置E-408I换热器进行了腐蚀失效分析，并对该设备的防腐措施进行了详细列举，在日后的设备维护中采取相应的措施如定期清洗管束、加强水质检测与控制、合理选材等来提高换热器的使用寿命，合理延长装置的运转周期。