王德水

（中国神华集团煤化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯 017209）

0 引言

换热器种类有很多种，根据用途主要有加热器、热交换器、再沸器、冷却器四种。换热器也因此应用在不同的工业系统，其形式与结构也会发生较大的变化。换热器在石油化工、煤化工、炼油等相关行业中起到了不可或缺、举足轻重的作用。在不同工作环境下的换热器也应改有不同的设计方案，如在不同温度、不同流体、腐蚀性强弱、气压强弱等物理环境条件下，换热器的结构和选材不同的。满足工作环境要求主要是通过选择适合设备各部位的材料，同时还要考虑换热器合理的防腐工艺，将设备的服役效果升级。

1 换热器的腐蚀原理

大部分换热器的组成材料为金属，因不同工作环境而发生金属腐蚀。据相关资料了解，每年因腐蚀损失掉大量金属，给企业乃至国家带来巨大的经济损失。如果采取合理的防腐措施，可以大大降低金属腐蚀。换热器中各部分材料大多为碳钢或不锈钢等，可以根据材料组分来探究腐蚀原理。换热器的金属腐蚀按照腐蚀机理为两类：化学腐蚀和电化学腐蚀。

1.1 换热器的化学腐蚀原理

换热器化学腐蚀是金属材料中的组分与所处工作环境的介质直接进行化学反应而造成的，如换热器金属管道的高温氧化、垢下腐蚀、部件减薄穿孔等。

1.2 换热器的电化学腐蚀原理

换热器的电化学腐蚀是十分普遍的，换热器电化学腐蚀是由于金属和其所处环境发生电化学反应而造成的。从本质观点上来看，换热器的电化学腐蚀就是金属表面的磁性氧化薄膜在水及溶液作用下发生电子流动的腐蚀。反应方程式是：阳极：Fe→Fe2++2e-；阴极：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2。阳极、阴极在金属表面的反应方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2，生成保护膜：3Fe（OH）2→Fe3O4+H2+H2O。金属材料在受到电化学腐蚀后，通常会生成保护层，迫使腐蚀不能继续进行。换热器介质中含氧、氢离子过多与氢氧根离子反应而造成金属腐蚀。

（1）溶解氧过多。如果换热器内液体中溶解氧过多，会生成Fe（OH）2，反应方程式为：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓，4Fe（OH）3+Fe（OH）2→Fe3O4+4H2O。

（2）氢离子过多。如果换热器内介质中所含氢离子过多，致使Fe（OH）2不能生成，腐蚀更加剧。其反应方程式为：阳极：Fe→Fe2++2e-，阴极：2H++2e-→H2。

（3）氢氧根离子过多。虽然氢氧根离子对保护膜的形成起积极作用，但是在氢氧根离子浓度过高时，保护膜将因其浓度过高而被破坏。其反应方程式为：Fe（OH）2+2OH-→FeO22-+2H2O；Fe3O4+4OH-→Fe2-O+2FeO2-+2H2O。而后，含FeO22-的物质与含FeO2-的物质发生水解，生成OH-离子，其反应方程式为：FeO22-+2H2O→Fe（OH）2+2OH-；FeO2-+2H2O→Fe（OH）3+OH-。通过方程式可知：由于OH-离子没有被消除掉，从而增加了换热器的碳钢与不锈钢材的腐蚀速度。

（4）氯离子使腐蚀性增强，换热器金属材料均会在一定浓度的氯离子条件下发生电化学腐蚀，故要根据介质中氯离子的含量多少来确定使用哪一类金属材料或者复合材料，以避免氯离子带来不必要的电化学腐蚀。

2 避免换热器过度腐蚀的主要手段

由于换热器工作环境的特殊性，其表面间接或直接与腐蚀性物质相接触，使换热器的腐蚀严重。要延长换热器的使用寿命，在换热器组成材料上要多选取抗腐蚀性较强的金属材料或非金属材料，并且在材料选择完成后，还要进行对金属材料或非金属材料的抗腐蚀化处理。但有时对金属材料或非金属材料的抗腐蚀化处理后，可能因接口处处理不合理，进而造成接口处的内部与外部的双面腐蚀。故对接口时处理工艺，显得尤为重要。除此之外，管道可能存留一些致使腐蚀性增强的物质，进而导致了金属材料或非金属材料的管道从内部开始腐蚀，最终使设备损坏、报废。因此，要将金属材料或非金属材料的内部管道的一切物质排空、扫净，以避免从内部开始腐蚀。通常增强换热器的抗腐蚀性的几种方法如下。

2.1 涂抹防腐蚀物质进行防腐

对换热器的易腐蚀部位涂抹耐腐蚀性物质是增强换热器抗腐蚀性的主要途径之一。可以将金属材料或非金属材料的管道进行内部与外部双面的涂抹耐腐蚀性物质，让其表面形成一层耐腐蚀性保护层，以降低腐蚀速率。同时，该种方法的实行成本较低并且该种方法的效果也最为明显。除此之外，在选择涂抹防腐物质前、施工过程中及涂抹后按照一定的施工工艺、方案进行，要注意涂抹防腐的物质不能与换热器的材料发生反应，并且要根据换热器的材料的不同以及其接触工作介质、工况等条件选取合适的涂层材料。

2.2 选取非金属保护层作为涂层

该种方法的优势在于非金属材料保护层具有抗腐蚀性强的特点。比如，某些换热器设备中涂抹特定的SHY-99 新型专业级防腐物质，这种SHY-99 新型专业级防腐物质的主要成分为：高分子防蚀、改性耐热合成树脂与各种耐高温与耐腐蚀的特殊添加剂等。而后将强有力防腐性能的SHY-99 新型专业级防腐物质进行特殊防腐工艺的进行处理使其具有一定的抗酸性、抗碱性、抗油性、抗有机溶剂等特殊物理性质，故使用SHY-99 新型专业级防腐涂层的换热器的寿命至少可以增加3 倍。

2.3 运用电化学保护法的方式

电化学保护法是通过将负电子引导至被保护的物质上，使该物质的表面具备腐蚀的正电子与负电子相结合，以达到静电平衡，最终起到防腐的效果。该种方法主要分为两种以牺牲阳极的阴极保护法与外加电源的阴极保护法。这两种方法的效果根据具体条件也会不同。其中，牺牲阳极的阴极保护法是一种通过构造原电池的方式，让被保护的部位物质作为阴极，得到电子，这种方法要求阳极物质要比阴极物质更加活泼，否则将起到相反的效果。而另一种外加电源的阴极保护法的原理是将电源的负极外连接在被保护的物质上，使被保护物质附近的腐蚀性阳离子的到电子，进而实现静电平衡，最终起到消除腐蚀的作用。但是，这两种阴极保护法的成本都较高，外加电源的阴极保护法是会持续消耗大量的电能，会消耗比阴极活泼的金属物质，并且相关技术也未发展成熟，所以这种技术目前只在特殊情况下使用。

2.4 换热介质中加入一定量的缓蚀剂

缓蚀剂，顾名思义，其具有减缓腐蚀的作用。可以将工作介质中加入一定量缓蚀剂，以达到降低腐蚀甚至停止腐蚀的目的。然而，缓蚀剂不能过量，可能带来一定的生产风险，如产品质量可能收到影响或者降低换热介质的换热性能。所以，在使用缓蚀剂时，要通过合理的、严格的计算，把控好换热介质中加入的缓蚀剂的量。

2.5 海绵体除氧防腐技术

这种海绵体除氧技术优势在于其具有含铁量较高、疏松多孔、活性强的特点。其可以提供足够空间让氧气能够得到充分反应。其反应方程式为：阳极反应：Fe→Fe2++2e-；阴极反应：H2O→H++OH-，2H++2e-→H2；总反应方程式：Fe2++2OH-→Fe（OH）2↓。而后因氢氧化亚铁在富含OH-的软化水中易与氧气发生反应，见生成溶解度很小的氢氧化铁（Fe（OH）3），其反应方程式为：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3↓。该海绵体除氧防腐技术经多年测试以后，可将氧气的溶解度降到小于0.05 mg/L 的程度，从而解决了换热器材料因氧气融界过多而产生腐蚀的问题。

3 相关换热器的维护手段

3.1 对换热器进行检查

因换热器的运行环境具有腐蚀性物质的特点，换热器因与具有腐蚀性物质常年接触会加快相关构件的腐蚀速率，进而可能造成换热器中流体介质的泄漏，引起较大的生产性事故，甚至社会性事故和大量经济损失。制定程序性时间与检查步骤对换热器进行检查是有效减小安全隐患发生可能的措施。在检查时，应遵守换热器相关设备的检查注意事项，进行规范的换热器检查步骤，以避免引起不必要的损失。同时，还要针对是否外漏、是否内漏等关键性方面进行重点监测。如果检查出相关换热器的安全问题一定要及时进行上报与检修，以减小换热器的安全问题带来的装置停运或者部分装置停运的可能，以便将换热器的利用率最大化。

3.2 维修的针对性

在对换热器进行合理的程序性时间与程序性检查步骤后，如若发现安全隐患，要及时针对损坏或待损坏的部位进行针对性的维修。比如：在换热管因腐蚀或其他原因而引发的管壁的减薄或管壁发生穿孔，要将换热管进行更换。还要对温度变化的部位与换热管膨胀的、收缩的进行防腐蚀处理，还要注意流通换热管接口的特殊性，对流通换热介质管道接口进行防膨胀、防泄漏、防锈处理。可以通过补胀、补焊等方式进行处理。

3.3 换热器的清洗方面

不同的换热器因其结构的不同或其中所含杂质（主要致腐物质）的不同，清洗方式也不尽相同。而清洗主要也分为两种：机械清洗和化学清洗。

3.3.1 机械清洗

机械清洗是一种大多数情况下采用高压射流的清洗方法。这种方法多使用在化学清洗后，将碳化物垢层进行处理。机械清洗的具有对设备磨损程度小、经济成本低的特点。在清洗之前，常常会进行预实验，以得到合适的水压清洗范围，以避免水压过低而引起的清洗效果不理想与水压过高而造成对设备的损坏。通常情况下，水压下为（50～70）MPa。机械清洗可以进行对管内与管外以及外壳内壁等部位的清洗。在对碳钢或不锈钢材料组分较多的换热器进行机械清洗时，要控制好水中Cl-的浓度，以避免造成不必要的损失。

3.3.2 化学清洗

化学清洗分为很多种，比如：对换热器进行栲胶与碱剂清洗、盐酸清洗等。以下是几种具体的化学清洗的原理。

（1）栲胶与碱剂的化学清洗方式。该种方式时通过将栲胶与碱性化学试剂同时使用在换热器需清洗的部位以便起到协同清洗的作用。它的清洗效果是因为它具有以下3 个作用：①剥离作用。这种作用是由于栲胶中的主要成分（单宁）具有一定的渗透性，可以渗透至水垢与换热器的碳钢或不锈钢之间，并可以在该部位通过化学法应形成酸铁保护层，从而使水垢与换热器金属材料难以结合，最终达到水垢剥离的目的；②改变晶体结构作用。这种作用是由于栲胶中的主要成分可以与硫酸盐水垢发生化学反应，该化学反应将难以除去的硫酸盐水垢结晶的致密棒状结构改变为网状结构，从而易于除去；③疏松作用。这种作用是由于栲胶中的主要成分（单宁）易在碱性条件下发生水解生成没食子酸，也称“棓酸”。这种化学物质对具有垢层的金属离子发生络合反应，进而因其特殊的碳酸性质的水垢溶解性，极大的促进了碳酸性质水垢的结构发生疏松，最终起到将碳酸性质水垢脱下的目的。

具体的除垢方法：在具体使用该方法之前，可以通过进行预实验，以得到相关数据，从而根据相关数据来控制加入栲胶的量。一般情况下，1 t 水添加（5～10）kg 栲胶。这种栲胶与碱剂清洗的化学清洗方式，拥有对金属损伤小、操作简单以及安全性强的特点，并且它的经济成本较低。

（2）盐酸清洗方式。盐酸清洗具有成本低、应用广的特点。很多化学清理方式中都有盐酸的存在。其主要具有几种作用：①剥离作用。通过盐酸对换热器金属材料氧化物的溶解，进而将金属与水垢之间的结合破坏，最终使水垢剥离；②溶解作用。通过盐酸与碳酸盐水垢发生化学反应而将水垢转化成易溶解的物质，进而将水垢除去；③疏松作用。因硅酸盐与硫酸盐成分的水垢不能与盐酸直接发生化学反应而除去，但是可以通过盐酸溶液环境将碳酸盐与富含铁的氧化物经过互相作用，使水垢的结构变得疏松，进而通过盐酸的作用，使水垢除去。盐酸因其会对换热器的碳钢和不锈钢部分产生基础腐蚀，所以在清洗时，一定要注意加入一定量的缓蚀剂，以避免基本腐蚀给换热器带来的负影响。与此同时，在进行盐酸清洗液的配制时，要注意佩戴好防护用具，以避免盐酸给配置人员带来不必要的伤害。除此之外，适宜的温度也对盐酸清洗起到积极作用，因为在温度过高时，盐酸具有挥发性，会造成盐酸的损失；温度过低时，化学反应速率较低、反应速度过慢，对换热器的清洗效果不理想。温度一般保持在（40～60）℃。而且盐酸的浓度在反应过程中具有变化较大的特点，化学反应中后期时，盐酸的浓度一般较低，反应速率缓慢。此时可向盐酸清洗中后期时，加入一定量的盐酸，来保证盐酸浓度从而保证清洗速率和清洗效果。

（3）海绵球清洗方式。由于换热器内部难以进行常用的清洗方式，常常用海绵球对换热器内部进行内部清洗。在清洗之前要根据换热器的垢层材料与具体使用环境等因素，对不同类型的海绵球进行选择。一般情况下，砂式型海绵球应用于硬度大的垢层。将海绵球深入换热器内部，进行不断地摩擦，进而起到将垢层除去的效果。

4 结束语

我国现代工业发展迅速，而换热器作为某些相关工业的不可或缺的设备，因此，换热器的防腐和维护是十分关键的。换热器的防腐与维护工作相当复杂的，相关行业内的换热器防腐与维护人员要积极做好换热器的防腐与维护工作，以起到在保证相关工业正常运转的同时，将换热器的寿命期限延长的作用。除此之外，还要创新开发出新的防腐与维护方案，以改进传统的防腐与维护方案。