淺析表面蒸發(fā)式空冷的腐蝕與防護(hù)

1、表面蒸發(fā)式空冷的腐蝕與防護(hù)高會杰摘要：本文簡要介紹了煉油一部表面蒸發(fā)式空冷運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，就空冷在使用中引起管束結(jié)垢、腐蝕等原因進(jìn)行分析。并針對性的實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)和預(yù)防措施，有效的改善了空冷運(yùn)行狀況。關(guān)鍵詞：表面蒸發(fā)式空冷；腐蝕；結(jié)垢具有現(xiàn)代雛形水平布置管束的引風(fēng)式和鼓風(fēng)式空冷器，自1935年投入工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)以來。隨著科學(xué)技術(shù)和煉油工業(yè)、石油化工、動力工業(yè)的發(fā)展要求，空冷技術(shù)已突破許多難關(guān)，經(jīng)多方面改進(jìn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)型式日趨完善?？绽淙找姹蝗藗冎匾?，到上世紀(jì)四十年代后期，空冷在煉油工業(yè)就已得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過70多年來的發(fā)展，現(xiàn)在空冷的結(jié)構(gòu)型式日趨完善，從干式空冷發(fā)展到適應(yīng)不同范圍的濕式空冷，干、濕聯(lián)

2、合空冷等結(jié)構(gòu)型式。表面蒸發(fā)式空冷自1990年蘭州石油機(jī)械研究所研究開發(fā)出國內(nèi)第一臺蒸發(fā)式空冷后，因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)在我國煉油工業(yè)中廣泛應(yīng)用。1 概述：煉油一部催化裂化和氣體分餾裝置共有表面蒸發(fā)式空冷24臺，其中催化裂化裝置16臺，氣體分餾裝置8臺。自投用以來，因空冷光管管束腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重（見1圖），且管束又未做任何防腐處理，運(yùn)行狀況一直不很理想，其中催化裝置表面蒸發(fā)式空冷投用一年，光管管束就相繼發(fā)生泄漏。管束的腐蝕泄露造成設(shè)備頻繁停車、檢修堵管和換熱管表面堆積大量泥垢，造成空冷管束換熱面積和傳熱效果大幅下降，給裝置的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。圖1光管管束結(jié)垢情況另外由于空冷固有的

3、結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)造成它安裝位置較高，檢修施工困難。且在每次檢修時(shí)，需要將管束內(nèi)部介質(zhì)被迫排空、置換。造成大量液化氣等輕質(zhì)產(chǎn)品被白白浪費(fèi)掉。例如檢修一臺氣體分餾裝置穩(wěn)定塔頂空冷器就必須將近3噸液化氣排入火炬系統(tǒng)。由此可見表面蒸發(fā)式空冷的高效、安全運(yùn)行，是影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為此就空冷運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一系列問題進(jìn)行了針對性的改造處理。通過空冷管束換熱管材質(zhì)升級更換、換熱管外表面增加防腐涂層、改善空冷水質(zhì)和更換百葉窗型式等一系列措施，有效的緩解了空冷腐蝕結(jié)垢、減少了空冷用水量，進(jìn)一步提高表面蒸發(fā)式空冷運(yùn)行水平。2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理表面蒸發(fā)式空冷結(jié)構(gòu)如下圖2所示，其結(jié)構(gòu)型式為管束水平放置引

4、風(fēng)式空冷，并在上部翅片管束和下部光管管束中間布置4根噴淋集合管。利用循環(huán)水泵將下部集水池中冷卻水輸送到噴淋管中，將冷卻水自上向下噴淋到光管管束表面，使管外表面形成連續(xù)均勻的薄水膜；同時(shí)用頂部引風(fēng)機(jī)將空氣從光管管束下部百葉窗吸入，使空氣自下而上流動，橫略水平放置的光管管束和上部的翅片管束，換熱管的管外換熱依靠水膜、和翅片與空氣間的顯熱傳遞，同時(shí)由于管外表面的水膜迅速蒸發(fā)而吸收大量的熱量，強(qiáng)化管外傳熱。冷卻水 空氣 介質(zhì)入口 集水槽 引風(fēng)機(jī) 翅片管束 光管 管束 原補(bǔ)水口 噴嘴 現(xiàn)補(bǔ)水口 介質(zhì)出口 圖2 表面蒸發(fā)式空冷結(jié)構(gòu)簡圖3 表面蒸發(fā)式空冷運(yùn)行中的主要問題和原因3.1 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題 由以上

5、表面蒸發(fā)式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)屬于敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。冷卻水在系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，造成冷卻水不斷被蒸發(fā)，各種無機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的不斷被濃縮。加上在使用過程中加入大量新鮮水，在長期使用中受到陽光照射，風(fēng)吹雨淋，灰塵雜物的進(jìn)入，以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等各種因素的綜合作用，導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)垢、沉積物的附著。由于空冷循環(huán)水系統(tǒng)未作任何水質(zhì)處理，單純依靠排污改善水質(zhì)。致使集水槽內(nèi)冷卻水濁度較高，并滋生大量的有害微生物。到2004年表面蒸發(fā)式空冷管束和其附屬構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重腐蝕結(jié)垢，換熱管外壁積結(jié)23mm左右的垢層，給裝置的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。圖3 腐蝕破損的空冷百葉窗 催化裝置為方便調(diào)節(jié)并平

6、衡各空冷集水槽水位，將多臺集中安裝的空冷的集水槽連在一起，分別從中部兩個(gè)上水口集中補(bǔ)水。這樣布置在一定程度上緩解了集水槽水位的波動，但同時(shí)造成離補(bǔ)水口較遠(yuǎn)的兩側(cè)空冷冷卻水具有相對較高的濃縮倍數(shù)，水質(zhì)較為渾濁。氣分裝置表面蒸發(fā)式空冷是單臺補(bǔ)水，但補(bǔ)水口和循環(huán)水泵吸入口分別位于集水槽兩端，如圖2所示，造成泵吸入口冷卻水濃縮倍數(shù)為集水槽內(nèi)相對較高的區(qū)域。為此長期以來依靠大量排污，來改善空冷冷卻水水質(zhì)以減緩空冷腐蝕結(jié)垢。這樣造成大量冷卻水被白白浪費(fèi)掉，按保守計(jì)算每月就有3000余噸軟化水被排入污水系統(tǒng)。 另外隨著空冷百葉窗等構(gòu)件腐蝕破損，加上空冷集水槽水位靠人工調(diào)節(jié)，當(dāng)水位較高時(shí)大量噴淋水從破損的百葉

7、窗中飛濺出去，造成空冷平臺表面積水腐蝕。并從平臺花紋板淚孔和縫隙中向下滲漏，影響空冷周圍和下面泵房現(xiàn)場設(shè)備衛(wèi)生環(huán)境。圖3為空冷百葉窗更換前的破損情況。3.2 冷卻濁度增加原因表面蒸發(fā)式空冷循環(huán)用水主要來自我廠動力車間軟化水，在軟化水不足時(shí)用新鮮水作為補(bǔ)充用水。由于冷卻水反復(fù)與空氣接觸，大氣中的塵埃以及冷卻水系統(tǒng)生成的腐蝕產(chǎn)物、微生物繁衍生成的粘泥都會成為懸浮物。這些生成的懸浮物部分沉積在下部集水槽的底部、部分懸浮在冷卻水中，使冷卻水的濁度升高。特別是催化裝置空冷，在遠(yuǎn)離補(bǔ)水位置的集水槽內(nèi)冷卻水濁度高達(dá)30mg/l以上。 3.3 冷卻水結(jié)垢冷卻水在運(yùn)行過程中，補(bǔ)充水不斷進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。此時(shí)，補(bǔ)充

8、水的一部分水被蒸發(fā)進(jìn)入大氣，另一部分則留在冷卻水中被濃縮，特別是由于補(bǔ)充新鮮水含鹽量高，硬度較大。在冷卻水循環(huán)使用過程中，碳酸鹽、硫酸鹽的鹽類的濃度隨著蒸發(fā)濃縮而增加。其中以溶解的重碳酸鹽如Ca(HCO3)2、冷Mg(HCO3)2最不穩(wěn)定，冷卻水在經(jīng)過噴嘴下噴淋時(shí)，由于溶解在水中游離的和半結(jié)合的酸性氣體CO2的逸出，加上管束外表面溫度相對較高，促使碳酸鹽晶粒析出沉積在管束表面，反應(yīng)進(jìn)行見下式。CaCO3沉積在換熱管表面，形成致密的碳酸鈣水垢。3.4 微生物的滋生和生物粘泥由于空冷用冷卻水的反復(fù)使用，空冷冷卻水水溫長期維持在3035左右，水中的養(yǎng)分的隨著冷卻水的蒸發(fā)被不斷濃縮，加上陽光可透過百葉

9、窗照射到集水槽水面上。 給細(xì)菌和藻類的迅速繁殖和滋生創(chuàng)造了有利條件。大量的細(xì)菌和藻類分泌的粘液，將懸浮在水中的無機(jī)腐蝕產(chǎn)物、灰沙淤泥等粘結(jié)在一起形成粘泥沉積物，在噴淋水的作用下與硬質(zhì)水垢一起附著在空冷光管管束上，隨著時(shí)間的推移愈積愈厚。由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼鐵小得多，它的存在嚴(yán)重影響下部光管管束的傳熱效率。粘泥的存在還會形成氧的濃差電池，引起管束垢下腐蝕。同時(shí)粘泥又給一些細(xì)菌微生物如硫酸鹽原菌、鐵細(xì)菌等，提供良好的滋生場所。這樣相互感染，加速空冷管束腐蝕。另外在空冷頂部引風(fēng)機(jī)影響下，一部分水滴被大量空氣攜帶到上部翅片管束上，使硬質(zhì)和軟質(zhì)水垢在翅片間沉淀堆積。由于翅片間隙較小，水垢的存在不但降低

10、上部翅片管束傳熱效率、腐蝕管束，同時(shí)使空氣流通面積下降，造成空冷器冷卻負(fù)荷下降。2006年4月18日氣體分餾裝置丙烯塔頂空冷器就是由于翅片管束結(jié)垢嚴(yán)重，被迫逐臺停車高壓清洗。圖4和圖5分別為翅片管束結(jié)垢和翅片腐蝕情況。圖5翅片管束腐蝕情況圖4翅片管束清洗前結(jié)垢情況3.5空冷的腐蝕原因 冷卻水的溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕由于冷卻水噴淋的作用，使水與空氣能充分的接觸，導(dǎo)致水中溶解的O2達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)噴淋下來的水與換熱管接觸時(shí)，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導(dǎo)電性，在碳鋼表面會形成許多腐蝕微電池，微電池的陽極區(qū)和陰極區(qū)分別發(fā)生下列氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。這些反應(yīng)，促使微電池中陽極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕

11、。如下所示：陽極 陰級 在水中當(dāng)亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時(shí)，就會生成Fe(OH)2沉淀，見下式：由于噴淋水中溶解的氧較充分，從而導(dǎo)致Fe(OH)2沉積在管束外壁會進(jìn)一步氧化，生成黃色的銹FeOOH或Fe2O3·H2O。 垢下腐蝕管束表面由于電化學(xué)腐蝕造成管束表面的粗糙度增加，有利于沉積結(jié)垢和增強(qiáng)表面晶核的附著能力。此外由于鐵細(xì)菌在冷卻水系統(tǒng)作用，它可以把可溶于水中的亞鐵離子轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒娜趸F的水合物，并作為其代謝作用的一部分產(chǎn)生大量的氧化鐵沉淀，從而形成鐵銹瘤。見圖6圖6 換熱管表面的鐵銹瘤由于管束表面水垢等沉積物的屏蔽作用，造成冷卻水中溶解氧在水相與垢相中的濃度不同，

12、從而形成了氧濃差電池所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。在氧濃度大的水相中，碳鋼表面為陰極，而在氧濃度小的垢相中，碳鋼表面為陽極。噴淋水中氧由于與空氣充分接觸使得氧處于飽和狀態(tài)，使得氧在水、垢兩相中濃度差較大，在陰陽兩極產(chǎn)生較大的電位差，從而造成Fe極易氧化成Fe2+，隨著腐蝕產(chǎn)物的不斷增加，垢層越積越厚，陰陽兩極的電位差隨著垢層增加而加大，促使腐蝕加劇，向換熱管深處發(fā)展直至穿孔。在管束和水垢之間由于含氧量較低（特別是在鐵銹瘤中心位置），為使一些厭氧菌如硫酸還原菌得以繁殖。硫酸還原菌分解水中的硫酸鹽，產(chǎn)生H2S進(jìn)一步加速管束腐蝕。見下式4 預(yù)防和應(yīng)對措施由以上分析可以看出要緩解空冷管束腐蝕結(jié)垢，需要從改善空冷

13、水質(zhì)，減小濃縮倍數(shù)及控制微生物滋生和繁殖，以降低循環(huán)用水的結(jié)垢傾向；另外選用合理管材和措施以提高空冷管束耐蝕能力；和投加緩蝕劑等措施和方法來延長其使用壽命。為此車間針對性對以上各方面進(jìn)行改進(jìn)。4.1 空冷管束材質(zhì)升級為緩解管束腐蝕速率，于2004年大修將分頂空冷E1202/B管束換熱材質(zhì)升級為0Cr18Ni9，利用它的高度的穩(wěn)定性和耐蝕性來降低管束的腐蝕速率，保證空冷長周期運(yùn)行。因?yàn)椴讳P鋼的本身價(jià)值相對較高，只在分頂空冷和液化氣空冷了兩臺不銹鋼光管管束，以觀察它和做防腐涂層管束兩者在表面蒸發(fā)式空冷中適用情況。4.2 管束外表面增加防腐涂層除上述兩臺空冷外，催化空冷其余14臺和氣分8臺空冷光管管

14、束，均在管束外表面增加TH901環(huán)氧漆酚甲醛鈦酸酯防腐涂層。由于涂料本身表面光滑致密具有較強(qiáng)抗?jié)B透性，利用涂層的屏蔽作用隔絕冷卻水和管束金屬表面的接觸。另外涂料中由于摻雜進(jìn)大量的較活潑的金屬粉末，金屬粉末的電極電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵的電極電位，從而使得管束成為陽極而溶解的傾向降低，起到電化學(xué)保護(hù)的作用。4.3 改善空冷水質(zhì)為改善空冷腐蝕結(jié)垢狀況，并改善水質(zhì)、降低外排污水量，于2004年底，在催化裝置軟化水來水總線上，向軟化水中加注緩蝕阻垢劑以減緩管束和內(nèi)構(gòu)件腐蝕。 在上水總線上增設(shè)水力控制閥，使空冷集水槽水位穩(wěn)定在一個(gè)特定位置，在保證循環(huán)水泵正常運(yùn)行情況下，既減少空冷噴淋水飛濺，又避免人工調(diào)節(jié)造成水位

15、波動和外溢。 調(diào)整了空冷補(bǔ)水的進(jìn)水位置，以解決補(bǔ)水分布不均問題，。從原來8臺空冷2個(gè)補(bǔ)水口，增加為各臺空冷單獨(dú)補(bǔ)水，并將原補(bǔ)水位置改在循環(huán)水泵側(cè)，如圖2所示。從而使得各臺空冷循環(huán)水泵吸入口的冷卻水的濃縮倍數(shù)相對較低， 氣分裝置軟化水也于2006年底該由催化裝置引入，由于調(diào)整了氣分表面蒸發(fā)式空冷補(bǔ)水流程，使得原有75KW的循環(huán)水泵P1509停掉，僅此一項(xiàng)就可節(jié)約電能1800KW/天4.4 更換百葉窗為防止噴淋水在集水槽內(nèi)飛濺，于2006年4月將原有百葉窗改型更換為無機(jī)材質(zhì)，見圖7。改造后由于現(xiàn)在百葉窗透氣孔為折形通道，有效阻擋噴淋水飛濺到集水槽外，而且使陽光無法穿透百葉窗到達(dá)水面，從而阻止集水槽內(nèi)藻類等微生物的生長和繁殖。圖7 更換后的百葉窗圖8光管管束運(yùn)行現(xiàn)狀5 結(jié)束語經(jīng)過采取以上措施，空冷運(yùn)行狀況得到有效改善，空冷集水槽內(nèi)水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，水質(zhì)清澈，空冷腐蝕結(jié)垢得到有效控制。目前表面蒸發(fā)式空冷