淺析表面蒸發(fā)式空冷的腐蝕與防護

1、表面蒸發(fā)式空冷的腐蝕與防護高會杰摘要：本文簡要介紹了煉油一部表面蒸發(fā)式空冷運行中出現(xiàn)的問題，就空冷在使用中引起管束結垢、腐蝕等原因進行分析。并針對性的實施相應的改進和預防措施，有效的改善了空冷運行狀況。關鍵詞：表面蒸發(fā)式空冷；腐蝕；結垢具有現(xiàn)代雛形水平布置管束的引風式和鼓風式空冷器，自1935年投入工業(yè)運轉以來。隨著科學技術和煉油工業(yè)、石油化工、動力工業(yè)的發(fā)展要求，空冷技術已突破許多難關，經(jīng)多方面改進，設備結構型式日趨完善?？绽淙找姹蝗藗冎匾?，到上世紀四十年代后期，空冷在煉油工業(yè)就已得到廣泛應用。經(jīng)過70多年來的發(fā)展，現(xiàn)在空冷的結構型式日趨完善，從干式空冷發(fā)展到適應不同范圍的濕式空冷，干、濕聯(lián)

2、合空冷等結構型式。表面蒸發(fā)式空冷自1990年蘭州石油機械研究所研究開發(fā)出國內(nèi)第一臺蒸發(fā)式空冷后，因其結構緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點在我國煉油工業(yè)中廣泛應用。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、結垢嚴重（見1圖），且管束又未做任何防腐處理，運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)帶來嚴重威脅。圖1光管管束結垢情況另外由于空冷固有的

3、結構和使用特點造成它安裝位置較高，檢修施工困難。且在每次檢修時，需要將管束內(nèi)部介質被迫排空、置換。造成大量液化氣等輕質產(chǎn)品被白白浪費掉。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、安全運行，是影響裝置平穩(wěn)運行的一項重要內(nèi)容，為此就空冷運行過程中出現(xiàn)的一系列問題進行了針對性的改造處理。通過空冷管束換熱管材質升級更換、換熱管外表面增加防腐涂層、改善空冷水質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垢、減少了空冷用水量，進一步提高表面蒸發(fā)式空冷運行水平。2 結構特點和工作原理表面蒸發(fā)式空冷結構如下圖2所示，其結構型式為管束水平放置引

4、風式空冷，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；同時用頂部引風機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，同時由于管外表面的水膜迅速蒸發(fā)而吸收大量的熱量，強化管外傳熱。冷卻水 空氣 介質入口 集水槽 引風機 翅片管束 光管 管束 原補水口 噴嘴 現(xiàn)補水口 介質出口 圖2 表面蒸發(fā)式空冷結構簡圖3 表面蒸發(fā)式空冷運行中的主要問題和原因3.1 運行中出現(xiàn)的問題 由以上

5、表面蒸發(fā)式結構特點可以看出，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)，各種無機離子和有機物質的不斷被濃縮。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，風吹雨淋，灰塵雜物的進入，以及設備結構和材料等各種因素的綜合作用，導致系統(tǒng)的結垢、沉積物的附著。由于空冷循環(huán)水系統(tǒng)未作任何水質處理，單純依靠排污改善水質。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件發(fā)生嚴重腐蝕結垢，換熱管外壁積結23mm左右的垢層，給裝置的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)帶來嚴重威脅。圖3 腐蝕破損的空冷百葉窗 催化裝置為方便調節(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，分別從中部兩個上水口集中補水。這樣布置在一定程度上緩解了集水槽水位的波動，但同時造成離補水口較遠的兩側空冷冷卻水具有相對較高的濃縮倍數(shù)，水質較為渾濁。氣分裝置表面蒸發(fā)式空冷是單臺補水，但補水口和循環(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以減緩空冷腐蝕結垢。這樣造成大量冷卻水被白白浪費掉，按保守計算每月就有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件腐蝕破損，加上空冷集水槽水位靠人工調節(jié)，當水位較高時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，在軟化水不足時用新鮮水作為補充用水。由于冷卻水反復與空氣接觸，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，在遠離補水位置的集水槽內(nèi)冷卻水濁度高達30mg/l以上。 3.3 冷卻水結垢冷卻水在運行過程中，補充水不斷進入冷卻水系統(tǒng)。此時，補充

8、水的一部分水被蒸發(fā)進入大氣，另一部分則留在冷卻水中被濃縮，特別是由于補充新鮮水含鹽量高，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，由于溶解在水中游離的和半結合的酸性氣體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，反應進行見下式。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。 給細菌和藻類的迅速繁殖和滋生創(chuàng)造了有利條件。大量的細菌和藻類分泌的粘液，將懸浮在水中的無機腐蝕產(chǎn)物、灰沙淤泥等粘結在一起形成粘泥沉積物，在噴淋水的作用下與硬質水垢一起附著在空冷光管管束上，隨著時間的推移愈積愈厚。由于水垢的導熱系數(shù)比鋼鐵小得多，它的存在嚴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。同時粘泥又給一些細菌微生物如硫酸鹽原菌、鐵細菌等，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機影響下，一部分水滴被大量空氣攜帶到上部翅片管束上，使硬質和軟質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，同時使空氣流通面積下降，造成空冷器冷卻負荷下降。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垢嚴重，被迫逐臺停車高壓清洗。圖4和圖5分別為翅片管束結垢和翅片腐蝕情況。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腐蝕由于冷卻水噴淋的作用，使水與空氣能充分的接觸，導致水中溶解的O2達到飽和狀態(tài)。當噴淋下來的水與換熱管接觸時，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導電性，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)生下列氧化反應和還原反應。這些反應，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 在水中當亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時，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，從而導致Fe(OH)2沉積在管束外壁會進一步氧化，生成黃色的銹FeOOH或Fe2O3·H2O。 垢下腐蝕管束表面由于電化學腐蝕造成管束表面的粗糙度增加，有利于沉積結垢和增強表面晶核的附著能力。此外由于鐵細菌在冷卻水系統(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進一步加速管束腐蝕。見下式4 預防和應對措施由以上分析可以看出要緩解空冷管束腐蝕結垢，需要從改善空冷

13、水質，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行改進。4.1 空冷管束材質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，保證空冷長周期運行。因為不銹鋼的本身價值相對較高，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大量的較活潑的金屬粉末，金屬粉末的電極電位遠遠低于鐵的電極電位，從而使得管束成為陽極而溶解的傾向降低，起到電化學保護的作用。4.3 改善空冷水質為改善空冷腐蝕結垢狀況，并改善水質、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)構件腐蝕。 在上水總線上增設水力控制閥，使空冷集水槽水位穩(wěn)定在一個特定位置，在保證循環(huán)水泵正常運行情況下，既減少空冷噴淋水飛濺，又避免人工調節(jié)造成水位

15、波動和外溢。 調整了空冷補水的進水位置，以解決補水分布不均問題，。從原來8臺空冷2個補水口，增加為各臺空冷單獨補水，并將原補水位置改在循環(huán)水泵側，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，由于調整了氣分表面蒸發(fā)式空冷補水流程，使得原有75KW的循環(huán)水泵P1509停掉，僅此一項就可節(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材質，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光管管束運行現(xiàn)狀5 結束語經(jīng)過采取以上措施，空冷運行狀況得到有效改善，空冷集水槽內(nèi)水質明顯好轉，水質清澈，空冷腐蝕結垢得到有效控制。目前表面蒸發(fā)式空冷