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摘 要：换热器是大型压缩机机组中不可缺少的换热装置，它的高效运行是压缩机机组正常运行的必要条件，也是压缩器内工艺气体的温度在安全范围内的保证。在设计范围内，换热器的换热效率和寿命与多种因素密切相关。其中，换热管内外介质的组成对换热管束的腐蚀有显着的影响。
关键词：换热器;管束;短期失效;对策
某炼化公司一台水煤气压缩机换热器，管内介质为水煤气，管外介质为循环水。换热器壳程温度在30℃～120℃，管程工作温度在20℃～40℃，工作压力在0.2MPa～1.2MPa。该换热器的换热管管束在短期内（<6个月）便发生泄漏。导致泄漏的原因很多，本文从多方面分析泄漏的原因。在分析的基础上，对介质的组成、换热管束的清洗以及后续的实时检测提出相应的措施，以保证换热器工作效率及使用寿命。
1工艺分析
该换热器管束材料为20号钢，管程与壳程内介质分别为水煤气和循环水。
2泄漏原因分析
2.1宏观形貌
取泄漏管束中的一段进行分析，换热管内外部锈蚀严重，有泄漏孔出现。换热管外部有黄色的锈迹，管内部的颜色相对较深，黑色锈迹。此外，还有许多点蚀坑出现。将腐蚀层外侧黄色锈迹除去后发现内侧呈黑色。说明除了在换热管外部有大量的氧化亚铁存在外，其里层已经被深度氧化成氧化铁。
2.2腐蚀物成分分析
对换热管腐蚀层成分进行分析，腐蚀层中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。这说明腐蚀层具有大量的氧化铁和氧化亚铁存在。氧化亚铁呈现出黄褐色，氧化铁则呈现出黑色。Si的含量符合20号钢标准的规定;Ca离子以碳酸钙和硅酸钙的形式存在;Mg离子的存在加速管道的结垢;除此以外，大量Cl元素的存在加速了对20号钢材电腐蚀。
2.3金相分析
20钢管经过冷拔后，基材呈带状，白色的为拉伸的铁素体，拉伸方向沿管子纵向方向;黑色的为珠光体。除锈抛光后的金相组织没有发生改变。由此可以判断，该换热管的基材符合标准，不是造成泄漏的原因。通过宏观形貌、微观形貌以及腐蚀层的化学元素分析可知，管束内外表面均发生了腐蚀，且外表面的腐蚀厚度大于内表面的腐蚀厚度，泄漏孔由外表面穿向内表面。主要原因是循环水中存在较高的O含量，Cl、Ca和Mg离子的含量也超标。而在实际生产中，该循环水处理为开放式，水中含有大量的O2存在。换热设备在高温高压下工作，由于换热管与介质的导热系数不一致，因此在换热管附近的介质形成温度梯度，在温度梯度的作用下，溶解的O2被源源不断地带入到管壁，与其接触并作用，这是导致换热管束在短期内就产生严重泄漏的主要原因。此外，循环水中无机盐离子的存在，对换热管起到腐蚀作用。
3换热器管束分析检测
3.1外壁沉积物检测分析
为了更好地了解管束外壁的腐蚀状态，对其表面的沉积物进行取样，借助离子溅射仪完成样品的制备，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对沉积物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束外围附着近1mm厚的沉积物，呈现出表面致密，靠近管壁处较为松软的状态。能谱分析结果表明管束外围附着的沉积物成分是硫化亚铁，掺杂微量的氧化铁。硫化亚铁组织结构疏松，可能来自管束内介质附带的铁锈，也可能来自于顶循油内硫元素与管束的化学反应，均匀附着于管束外围。
3.2外壁腐蚀状况检测分析
为了更清晰的观察管束外围的腐蚀情况，在换热器中取长度为30mm的管束，将其外围的沉淀物清理干净，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对表面存在的腐蚀物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束表面的腐蚀程度较轻，呈现出均匀腐蚀的状态，腐蚀物质分布极为致密。能谱分析结果表明管束表面的腐蚀物质为含铁元素和氯元素的化合物。由换热器管束表面即使出现了腐蚀状况，但是并不严重，不是管束泄露的主要原因，极有可能是管束内壁的严重腐蚀所致。
3.3内壁沉积物检测分析
为了进行管束内壁腐蚀情况的观察，截取长度为50mm的管束，将其刨切为两半。首先在管束内壁位置取沉积物样品，目测管束内壁包含铁锈和水垢两种沉积物。之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对沉积物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束内壁存在较多的水垢，水垢表面存在大量裂纹，并未紧紧附着与管束内壁;铁锈本身的致密性较差，极易破损成粉状，但是紧紧附着于管束表面，不易清理。能谱分析结果表明水垢的主要组成包括铁锈、碳酸盐等;铁锈的主要成分为铁的氧化物。
3.4内壁腐蚀状况检测分析
对于管束内壁腐蚀状态的观察，需要在泄漏管束中截取长度为30mm管段，刨开之后清除管束内壁上附着的沉积物，取出腐蚀程度较大的位置制备分析样品，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对腐蚀物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束未泄漏位置存在较多的点蚀坑，直径尺寸在2.5～3mm之间，深度尺寸在1.5mm左右，继续腐蚀将会穿透管束，导致管束泄漏。能谱分析结果表明腐蚀坑内部的腐蚀物质成分组成为铁的氧化物，同时夹杂微量的氯化物及硫化物。综合以上检测结果可以得出管束出现泄漏是由内壁腐蚀出现的点蚀坑深度不断增加导致的。
4解决方案
4.1更换和清洗换热管
首先对该换热管束进行整体排查，将泄漏的管进行更换。然后对换热器进行整体化学清洗。在化学清洗前，根据腐蚀的情况确定清洗方案如下：酸洗除锈———预膜形成金属保护膜。此外，对开放式的水处理改用封闭式的处理方式。避免水处理中含氧量的增加。
4.2循环水处理
在给换热器清洗和预膜后，还应该对循环水进行处理。为了节约水资源，根据循环水水质，筛选出适用性强的高效缓蚀阻垢剂添加到其中。目前，水处理采用的有机阻垢剂有膦酸类阻垢剂、羧酸类阻垢剂、膦酸羧酸类阻垢剂等。最常用的阻垢剂是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸盐共聚物组成的复合缓蚀阻垢剂。这些有机酸对金属表面形成的保护膜起到保护作用，同时对循环水中的碳酸钙等均有良好的螯合分散和晶格畸变作用。
4.3循环水日常管理
循环水管理素有“三分药剂，七分管理”之说。在循环水正常运行后，在升温、蒸发和冷却的过程中，水质会发生变化。因此，日常运行主要根据水质变化情况进行及时调整，每天定时分析和上报。
與此同时，还要对容器的腐蚀速度和结垢进行测定。将一定规格的金属挂片安装在循环水出口管线上的引出管中，一个月后取出称重。根据挂片的失重情况，可判断腐蚀速度。根据《工业循环水冷却水处理设计规范》（GN50050-2007）规定，冷热设备碳钢管关闭的腐蚀速度<0.075mm/a。采用监测换热器法，模拟换热器的操作条件，用饱和蒸汽作介质。运行一个月后取下测算腐蚀率和黏附速率，污垢热阻反映结构情况。要求达到《工业循环水冷却水处理设计规范》（GN50050-2007）规定：换热设备水侧管壁的年污垢热阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉积速率≤20mg/cm2·月。
结论
通过上述分析可知，本文中换热管材质合格，造成换热管束短时期失效的主要原因是循环水水质的问题。因此，针对该问题提出了解决方案。首先对腐蚀严重的换热管清洗。其次，对循环水水质进行阻垢缓蚀处理。在正常运行后，分别对换热管的腐蚀和循环水的水质进行监控。保证换热器在设计工况下进行运行的同时，定期进行清洗以使换热器达到高效换热并延长使用寿命。
参考文献
[1] 周葆红，李言浩，王志亮，等.U形管式换热器管束失效分析及防范[J].化工设备与管道，2019，40（006）：48-52.
关键词：换热器;管束;短期失效;对策
某炼化公司一台水煤气压缩机换热器，管内介质为水煤气，管外介质为循环水。换热器壳程温度在30℃～120℃，管程工作温度在20℃～40℃，工作压力在0.2MPa～1.2MPa。该换热器的换热管管束在短期内（<6个月）便发生泄漏。导致泄漏的原因很多，本文从多方面分析泄漏的原因。在分析的基础上，对介质的组成、换热管束的清洗以及后续的实时检测提出相应的措施，以保证换热器工作效率及使用寿命。
1工艺分析
该换热器管束材料为20号钢，管程与壳程内介质分别为水煤气和循环水。
2泄漏原因分析
2.1宏观形貌
取泄漏管束中的一段进行分析，换热管内外部锈蚀严重，有泄漏孔出现。换热管外部有黄色的锈迹，管内部的颜色相对较深，黑色锈迹。此外，还有许多点蚀坑出现。将腐蚀层外侧黄色锈迹除去后发现内侧呈黑色。说明除了在换热管外部有大量的氧化亚铁存在外，其里层已经被深度氧化成氧化铁。
2.2腐蚀物成分分析
对换热管腐蚀层成分进行分析，腐蚀层中含有大量的O、Fe、C、Cl以及少量的Ca和Mg存在。这说明腐蚀层具有大量的氧化铁和氧化亚铁存在。氧化亚铁呈现出黄褐色，氧化铁则呈现出黑色。Si的含量符合20号钢标准的规定;Ca离子以碳酸钙和硅酸钙的形式存在;Mg离子的存在加速管道的结垢;除此以外，大量Cl元素的存在加速了对20号钢材电腐蚀。
2.3金相分析
20钢管经过冷拔后，基材呈带状，白色的为拉伸的铁素体，拉伸方向沿管子纵向方向;黑色的为珠光体。除锈抛光后的金相组织没有发生改变。由此可以判断，该换热管的基材符合标准，不是造成泄漏的原因。通过宏观形貌、微观形貌以及腐蚀层的化学元素分析可知，管束内外表面均发生了腐蚀，且外表面的腐蚀厚度大于内表面的腐蚀厚度，泄漏孔由外表面穿向内表面。主要原因是循环水中存在较高的O含量，Cl、Ca和Mg离子的含量也超标。而在实际生产中，该循环水处理为开放式，水中含有大量的O2存在。换热设备在高温高压下工作，由于换热管与介质的导热系数不一致，因此在换热管附近的介质形成温度梯度，在温度梯度的作用下，溶解的O2被源源不断地带入到管壁，与其接触并作用，这是导致换热管束在短期内就产生严重泄漏的主要原因。此外，循环水中无机盐离子的存在，对换热管起到腐蚀作用。
3换热器管束分析检测
3.1外壁沉积物检测分析
为了更好地了解管束外壁的腐蚀状态，对其表面的沉积物进行取样，借助离子溅射仪完成样品的制备，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对沉积物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束外围附着近1mm厚的沉积物，呈现出表面致密，靠近管壁处较为松软的状态。能谱分析结果表明管束外围附着的沉积物成分是硫化亚铁，掺杂微量的氧化铁。硫化亚铁组织结构疏松，可能来自管束内介质附带的铁锈，也可能来自于顶循油内硫元素与管束的化学反应，均匀附着于管束外围。
3.2外壁腐蚀状况检测分析
为了更清晰的观察管束外围的腐蚀情况，在换热器中取长度为30mm的管束，将其外围的沉淀物清理干净，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对表面存在的腐蚀物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束表面的腐蚀程度较轻，呈现出均匀腐蚀的状态，腐蚀物质分布极为致密。能谱分析结果表明管束表面的腐蚀物质为含铁元素和氯元素的化合物。由换热器管束表面即使出现了腐蚀状况，但是并不严重，不是管束泄露的主要原因，极有可能是管束内壁的严重腐蚀所致。
3.3内壁沉积物检测分析
为了进行管束内壁腐蚀情况的观察，截取长度为50mm的管束，将其刨切为两半。首先在管束内壁位置取沉积物样品，目测管束内壁包含铁锈和水垢两种沉积物。之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对沉积物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束内壁存在较多的水垢，水垢表面存在大量裂纹，并未紧紧附着与管束内壁;铁锈本身的致密性较差，极易破损成粉状，但是紧紧附着于管束表面，不易清理。能谱分析结果表明水垢的主要组成包括铁锈、碳酸盐等;铁锈的主要成分为铁的氧化物。
3.4内壁腐蚀状况检测分析
对于管束内壁腐蚀状态的观察，需要在泄漏管束中截取长度为30mm管段，刨开之后清除管束内壁上附着的沉积物，取出腐蚀程度较大的位置制备分析样品，之后在扫描电镜上进行微观组织观察，并对腐蚀物进行能谱分析。微观组织观察结果表明管束未泄漏位置存在较多的点蚀坑，直径尺寸在2.5～3mm之间，深度尺寸在1.5mm左右，继续腐蚀将会穿透管束，导致管束泄漏。能谱分析结果表明腐蚀坑内部的腐蚀物质成分组成为铁的氧化物，同时夹杂微量的氯化物及硫化物。综合以上检测结果可以得出管束出现泄漏是由内壁腐蚀出现的点蚀坑深度不断增加导致的。
4解决方案
4.1更换和清洗换热管
首先对该换热管束进行整体排查，将泄漏的管进行更换。然后对换热器进行整体化学清洗。在化学清洗前，根据腐蚀的情况确定清洗方案如下：酸洗除锈———预膜形成金属保护膜。此外，对开放式的水处理改用封闭式的处理方式。避免水处理中含氧量的增加。
4.2循环水处理
在给换热器清洗和预膜后，还应该对循环水进行处理。为了节约水资源，根据循环水水质，筛选出适用性强的高效缓蚀阻垢剂添加到其中。目前，水处理采用的有机阻垢剂有膦酸类阻垢剂、羧酸类阻垢剂、膦酸羧酸类阻垢剂等。最常用的阻垢剂是按照一定配比的膦羧酸、聚羧酸和含磺酸盐共聚物组成的复合缓蚀阻垢剂。这些有机酸对金属表面形成的保护膜起到保护作用，同时对循环水中的碳酸钙等均有良好的螯合分散和晶格畸变作用。
4.3循环水日常管理
循环水管理素有“三分药剂，七分管理”之说。在循环水正常运行后，在升温、蒸发和冷却的过程中，水质会发生变化。因此，日常运行主要根据水质变化情况进行及时调整，每天定时分析和上报。
與此同时，还要对容器的腐蚀速度和结垢进行测定。将一定规格的金属挂片安装在循环水出口管线上的引出管中，一个月后取出称重。根据挂片的失重情况，可判断腐蚀速度。根据《工业循环水冷却水处理设计规范》（GN50050-2007）规定，冷热设备碳钢管关闭的腐蚀速度<0.075mm/a。采用监测换热器法，模拟换热器的操作条件，用饱和蒸汽作介质。运行一个月后取下测算腐蚀率和黏附速率，污垢热阻反映结构情况。要求达到《工业循环水冷却水处理设计规范》（GN50050-2007）规定：换热设备水侧管壁的年污垢热阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉积速率≤20mg/cm2·月。
结论
通过上述分析可知，本文中换热管材质合格，造成换热管束短时期失效的主要原因是循环水水质的问题。因此，针对该问题提出了解决方案。首先对腐蚀严重的换热管清洗。其次，对循环水水质进行阻垢缓蚀处理。在正常运行后，分别对换热管的腐蚀和循环水的水质进行监控。保证换热器在设计工况下进行运行的同时，定期进行清洗以使换热器达到高效换热并延长使用寿命。
参考文献
[1] 周葆红，李言浩，王志亮，等.U形管式换热器管束失效分析及防范[J].化工设备与管道，2019，40（006）：48-52.