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空冷器管束腐蝕原因及防護(hù)措施

發(fā)布時(shí)間:2021.06.23    點(diǎn)擊數(shù): 73633

        空冷器作為一種大型換熱設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè),然而由于空冷器管束經(jīng)常處于高溫、高壓、高腐蝕的工況狀態(tài)下,因此對(duì)其耐腐蝕性能有較大的考驗(yàn)。一旦空冷器管束發(fā)生腐蝕,將直接影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)管束常見(jiàn)腐蝕類型進(jìn)行分析,并實(shí)施可行的保護(hù)措施,對(duì)于提高產(chǎn)品使用壽命意義重大。

空冷器管束常見(jiàn)腐蝕種類
1點(diǎn)腐蝕
空冷器管束承壓材料在含有溶解氧和危害性陰離子(主要為氯離子)的介質(zhì)中,經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后,大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕較輕,但在表面上個(gè)別點(diǎn)或微小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)孔穴或麻點(diǎn),隨著時(shí)間的推移,蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展,形成小孔狀腐蝕坑,即為點(diǎn)蝕,由于點(diǎn)蝕嚴(yán)重時(shí)可使設(shè)備穿孔,因此又稱為小孔腐蝕或孔蝕。在空冷換熱器管束設(shè)計(jì)制造中,有兩方面重要影響因素需要考慮:a. 熱處理時(shí)效溫度的影響:對(duì)于不銹鋼管束來(lái)說(shuō),一般主承壓件焊后不進(jìn)行熱處理,但是奧氏體不銹鋼經(jīng)固熔處理后具有最佳的耐點(diǎn)蝕性能。對(duì)于其它不銹鋼材料來(lái)說(shuō),在某些溫度下進(jìn)行退火或回火等熱處理會(huì)產(chǎn)生沉淀相,從而增加點(diǎn)蝕的傾向。b. 隨著管束金屬材料表面光潔度的提高,會(huì)使其耐點(diǎn)蝕性能增強(qiáng),但是在冷加工使金屬表面產(chǎn)生冷變形加工硬化時(shí),會(huì)導(dǎo)致耐點(diǎn)蝕能力下降。因此對(duì)于非常用材料與使用工況,一般需要進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)評(píng)定。點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)一般可分為化學(xué)浸泡法、電化學(xué)測(cè)量法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法三類,耐點(diǎn)腐蝕性能評(píng)定的內(nèi)容包括點(diǎn)蝕深度、點(diǎn)蝕密度、腐蝕速率、腐蝕面積等,并需要將腐蝕速率與蝕孔分布、形狀、尺寸、密度、深度等結(jié)合起來(lái)。
2間隙腐蝕
間隙腐蝕是由于金屬之間或金屬與非金屬形成微小的間隙(一般在0.025~0.1mm),換熱介質(zhì)滯留在間隙內(nèi),而且這種介質(zhì)中存在具有危害性的陰離子時(shí)所產(chǎn)生的一眾腐蝕形式,其腐蝕結(jié)果會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低、局部附加應(yīng)力增大、材料承載力降低。
在空冷式換熱器中,通常在板材搭接處、法蘭密封面連接處、墊片密封處、基管與襯管之間或銹層產(chǎn)生間隙腐蝕,其中基管與襯管之間最容易產(chǎn)生間隙腐蝕。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中往往將基管與襯管采用全程脹接以消除兩者之間的間隙。
對(duì)于空冷式換熱器通常采用絲堵密封結(jié)構(gòu),通過(guò)金屬墊片密封,在墊片兩面分別與絲堵、管板進(jìn)行接觸,在微觀上存在一定的間隙,而墊片與管板之間承受著換熱介質(zhì)腐蝕,由于壓力、溫度、振動(dòng)等因素導(dǎo)致密封尖端存在間隙腐蝕,容易導(dǎo)致墊片密封失效。
3沖刷腐蝕
沖刷腐蝕包括沖蝕、磨耗腐蝕,是金屬表面與流體介質(zhì)之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的金屬損傷。沖刷腐蝕的金屬表面一般呈溝槽、凹谷、淚滴狀,且表面光亮無(wú)腐蝕沉積物。
與其它應(yīng)力作用下的腐蝕相比,沖刷腐蝕影響因素較為復(fù)雜,除了材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、表面粗糙度、耐腐蝕性能等,還與介質(zhì)溫度、pH值、溶氧量、固相顆粒度和硬度以及流體流過(guò)部件的形狀、結(jié)構(gòu)、流速和流態(tài)有很大的關(guān)系。
在空冷式換熱器中最容易產(chǎn)生沖刷腐蝕的部位就是基管與管板焊接處,由于基管與管板一般采用單層或雙層焊接,焊腳高度在1.5~2mm,長(zhǎng)時(shí)間沖刷會(huì)使得焊縫減薄,直至泄漏,因此合理設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)類型可有效降低沖刷腐蝕速率,通常采用回流管箱形式改變流體流向軌跡,或在基管中加入阻流帶,阻流帶可作為一種緩沖部件降低介質(zhì)流速,改變介質(zhì)流程。
4晶間腐蝕
晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿晶界發(fā)生的一種局部選擇性腐蝕。晶界是不同晶粒之間的交界。由于晶粒有著不同的位向,故交界處原子的排列必須從一種位向逐步過(guò)渡到另一種位向。因此,晶界實(shí)際上是種“面型”不完整的結(jié)構(gòu)缺陷。
產(chǎn)生晶間腐蝕的條件包括:
a. 金屬或合金中含有雜質(zhì),或者有第二相沿晶界析出。
b. 晶界與晶粒內(nèi)化學(xué)成分的差異,在適宜的介質(zhì)中形成腐蝕電池,晶界為陽(yáng)極,晶粒為陰極,晶界產(chǎn)生選擇性溶解。
c. 有特定的腐蝕介質(zhì)存在。在某些合金-介質(zhì)體系中,往往產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕。例如奧氏體不銹鋼在弱氧化性介質(zhì)或強(qiáng)氧化性介質(zhì)的特定腐蝕介質(zhì)中,可能產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕。
目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的晶間腐蝕試驗(yàn)方法及其評(píng)定方法基本有5種:草酸電解浸蝕法、沸騰65%硝酸法、沸騰硫酸-硫酸鐵法、沸騰硫酸-硫酸銅法和硝酸-氫氟酸法。
5應(yīng)力腐蝕
材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞稱為應(yīng)力腐蝕。作為一種脆性失效模式,應(yīng)力腐蝕具有極大的危害性。材料在應(yīng)力因素單獨(dú)作用下的破壞屬于機(jī)械斷裂或機(jī)械疲勞斷裂;材料在腐蝕狀態(tài)下受到介質(zhì)單獨(dú)腐蝕屬于環(huán)境腐蝕,在應(yīng)力因素與腐蝕環(huán)境共同作用下產(chǎn)生的腐蝕破壞導(dǎo)致斷裂、開(kāi)裂,屬于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。
空冷器往往因?yàn)楦g開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏,其中最常見(jiàn)的腐蝕開(kāi)裂為硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)。SSCC是指管束承壓材料在硫化物介質(zhì)中受拉伸應(yīng)力作用發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常具備三個(gè)條件:
a. 金屬在該介質(zhì)環(huán)境中具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的傾向;
b. 由承壓材料組成的結(jié)構(gòu)接觸或處于選擇性的腐蝕介質(zhì)中;
c. 有高于一定水平的拉應(yīng)力。
腐蝕率測(cè)試
腐蝕率是評(píng)定金屬耐腐蝕性能的重要指標(biāo)。金屬在遭受腐蝕過(guò)程中,其重量、組織結(jié)構(gòu)、外形尺寸、表面狀態(tài)、力學(xué)性能等均會(huì)發(fā)生一定變化,宏觀與微觀的變化率可用來(lái)體現(xiàn)金屬腐蝕的程度,因而會(huì)有不同的腐蝕率測(cè)試方法,對(duì)于空冷器管束常用的方法有電阻法、失重法和線性極化法等。
1電阻法
電阻法是根據(jù)金屬試樣由于腐蝕作用使橫截面積減少,從而導(dǎo)致電阻增大的原理,利用此方法可以在空冷器管束運(yùn)行過(guò)程中對(duì)設(shè)備的腐蝕狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行各階段的腐蝕速率及其變化,且能適用于各種不同介質(zhì)。電阻法快速,靈敏,方便,可以監(jiān)控腐蝕速度較大的工況。
2線性極化法
線性極化法是一種非常適用于監(jiān)測(cè)的方法,其具有靈敏度高、對(duì)腐蝕情況變化響應(yīng)快等特點(diǎn),能獲得瞬間腐蝕速率,可以及時(shí)反映管束工況條件的變化,然而此方法是基于穩(wěn)態(tài)條件獲得腐蝕速率的,因此適用于所測(cè)物體是均勻腐蝕或全面腐蝕,不適用于局部腐蝕。
3失重法
失重法是常用的腐蝕速率測(cè)定方法,簡(jiǎn)便易行,結(jié)果可靠。通常采用掛片測(cè)試,掛片的材質(zhì)與空冷器主體承壓材料一致,掛片的形狀、大小可根據(jù)試驗(yàn)情況和需要確定。試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)掛片進(jìn)行表面處理,先經(jīng)砂紙打磨去銹拋光,用丙酮等溶劑去油污脫脂,蒸餾水沖洗干凈,并在50℃下干燥。把掛片浸入腐蝕溶液中,通過(guò)對(duì)掛片重量進(jìn)行檢測(cè),從而測(cè)定其腐蝕速率。
腐蝕防護(hù)措施
1合理選用材料
正確選用材料是控制腐蝕的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,且應(yīng)遵循以下原則:
a. 材料的耐腐蝕性能應(yīng)滿足設(shè)備的使用環(huán)境要求,根據(jù)介質(zhì)的腐蝕類型、敏感性、腐蝕速率等特點(diǎn),分析使用環(huán)境,合理選材;
b. 材料的物理性能、力學(xué)性能和加工工藝性能應(yīng)滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)與加工要求,如必要的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌度、疲勞性能、耐熱性能以及可焊性等。對(duì)于空冷器管束,在含氫、硫介質(zhì)工況下,通常選用鎳基合金和雙相不銹鋼材料,其中雙相不銹鋼是一種新型材料,具有優(yōu)良的耐腐蝕性、高強(qiáng)度且易于制造加工,集諸多優(yōu)異性能于一身,它的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間,更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。
2合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須從防腐的角度出發(fā),根據(jù)材料和所處環(huán)境,嚴(yán)格計(jì)算和確定使用應(yīng)力,進(jìn)行合理的防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要注意以下幾點(diǎn):a. 外形力求簡(jiǎn)單;b. 防止積水和積塵;c. 盡量避免尖角、凹槽和縫隙;d. 盡量避免電位相差較大的金屬連接;e. 避免使用應(yīng)力、裝配應(yīng)力和殘余應(yīng)力在同一個(gè)方向上疊加。
3改進(jìn)制造工藝
材料在加工和裝配過(guò)程中,也會(huì)造成腐蝕或留下腐蝕隱患,需要特別注意以下情況:
a. 機(jī)加工過(guò)程容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力;
b. 應(yīng)慎重選擇熱處理規(guī)范,避免因熱處理不當(dāng)引起的晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆等,盡量避免在敏化溫度區(qū)保溫,對(duì)可能產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的熱處理工藝,應(yīng)有消除殘余應(yīng)力的措施;
c. 焊接方式不同,材料的腐蝕敏感性亦不同,為減小焊接后的應(yīng)力,還應(yīng)注意焊接順序的設(shè)計(jì),盡量減小工件的變形,焊接后焊縫處的殘?jiān)鼞?yīng)及時(shí)清理,以避免引起局部腐蝕;
d. 對(duì)于工件焊接、加工完成后應(yīng)進(jìn)行脫脂、清洗處理,避免殘液腐蝕工件,在特定工況環(huán)境下,空冷器管束可采用鎳磷鍍方法進(jìn)行內(nèi)部防腐處理;
e. 設(shè)備裝配時(shí)不應(yīng)造成過(guò)大的裝配應(yīng)力,設(shè)計(jì)時(shí)要提高精度減小公差,裝配時(shí)要采用合理的裝配方法,避免應(yīng)力集中。
結(jié)束語(yǔ)
只有對(duì)設(shè)備腐蝕類型有深入了解,才能對(duì)其進(jìn)行有效控制,并加以防護(hù),有效保證空冷器管束安全、穩(wěn)定運(yùn)行,提高使用壽命,因此對(duì)材料、設(shè)備的腐蝕研究是行業(yè)的重要研究課題之一。
 

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