换热器（亦称热交换设备）是石油行业中广泛使用的热量交换设备， 它不仅可以单独作为加热器， 冷却器使用，而且可以作为一些化工产品的重要生产设备，是重要的节能设备之一，在生产中占有重要地位。在石化设备中，换热器约占炼油工艺设备总质量的 40%，占建厂投资费用的 20%左右。

  鉴于国内重质油加工比例的越来越大，炼厂生产设备服役的腐蚀环境劣化，腐蚀问题也日益严重与复杂化，导致炼厂换热器设备的安全运行受到了前所未有的严峻考验。换热器发生泄漏的事故也屡见不鲜，例如辽阳石化分公司炼油厂第二循环水场，仅 2000 年 1 ~ 10 月就有 13 台水冷器泄漏；延长集团延安炼油厂，从 2007 年 7 月到 2010 年 6 月这三年里，该炼厂对炼化装置的检修就进行了四次检修，整体更换换热器共计 18 台，换芯、抽芯清洗换热器 130 多台，80% 的换热器都有不同程度的损坏。

  对换热器的腐蚀如何有效监测议题开始逐渐重视起来，各大炼厂希望寻找一种监测方法能对换热器腐蚀状况进行有效监控，并为冷换设备的工艺防腐提供指导性的建议，以能延长设备的使用周期，减少由于腐蚀而导致停车的事故发生，降低炼厂经济损失，提高安全生产效益。

  炼化厂常见的换热器

  换热器按工作原理可分为三大类：直接混合式、蓄热式以及间壁式。在炼油工艺装置中应用较多的是间壁式的列管式换热器（又叫管壳式换热器），管壳式换热器外形是圆筒体，筒体内排列许多小管子，冷热两种流体分别在管内外流动，在管内流动的叫管程流体，在管外流动的叫壳程流体，热流通过管壁把热量传递给冷流。

  管壳式换热器按照管束和壳体的连接方式，大致可分为三种，浮头式管壳换热器、固定管板式换热器和 U 型管式换热器。

  1.浮头式换热器

图1 浮头式换热器结构图

  图 1 是浮头式换热器的结构图，两端分别设计固定管板和活动管板，浮头可以沿管长方向在壳体内自由移动，不会由于两流体温差太大而产生温差应力，管束还可以拉出来清洗或更换，适用各种温差类别流体的换热，是目前炼厂应用最多的一类换热器。

  2.固定管板式换热器

图2 固定管板式换热器结构图

  图 2 是固定管板式换热器的结构图，其特点就是两端管板都与壳体固定连接，管束与壳体不能相对移动。这种换热器结构坚固、处理量大、适应性强，成产成本低。但是当管子与壳体温度相差较大时，由于膨胀程度不同，会产生较大的热应力，并且不易清洗，适用于温差较小、不易结垢的流体换热。

  3.U型管式换热器

图3 U型管式换热器结构图

  图 3 是 U 型管式换热器的结构图，U 型管式换热器的每一束管子都被制成不同曲率半径的 U 形，其两端都固定在同一块管板上，并用隔板将封头隔成两室。可适用于温差较大的两流体，构造简单，生产成本低，但是 U 形部分管子清洗困难，U 型管排列数目少，传热面积小。适用于温差大、不易结垢的流体。

  炼厂所用的换热器大多数是以上几种，还有别的类型例如套管式换热器、沉浸式换热器、喷淋式换热器等等，都存在各自的特点和缺陷。

  换热器常见的腐蚀失效类型

  炼厂中换热器腐蚀种类很多，但根据腐蚀机理类型分为两大类：电化学腐蚀；物理腐蚀。

  1.电化学腐蚀

  换热器电化学腐蚀的表现形式主要是：析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

  ⑴酸性介质中发生的析氢腐蚀

  换热器在流体介质中，存在杂质介质的附着和金属基体本身不均匀的原因，导致不同部位形成微小的电极电位差，在局部电池作用下会发生腐蚀，在不同的介质环境下会产生不同的腐蚀类型，如在酸性水溶液下会发生析氢腐蚀，金属在阳极区以离子的形式溶解：

  Fe → Fe ²⁺ +2e（阳极）

  同时伴随着氢气在阴极区域析出：

  2H + +2e → H ₂ （阴极）

  因此在酸性水溶液状态下，会导致金属的腐蚀性溶解。如有氯离子存在时，腐蚀更加剧烈，金属与水溶液接触时，水分子定向地吸附在金属表面，产生一层氧化物即金属表面的钝化膜，氯离子具有很高的极性和很强的穿透性，能穿透金属表面的钝化膜，与金属相互作用，形成可溶性化合物（氯化亚铁、氯化铁等），并且不断发生溶解，腐蚀产物及介质在蚀点底部越浓缩，作用越厉害，蚀洞越深，最终形成坑蚀。图 4、5 是某炼化厂常顶水冷器的低温 H 2 S-HCL-H 2 O 腐蚀腐蚀形貌。该水冷器壳程操作介质为常顶油气，壳体 / 管束材质分别为 16MnR/09Cr2ALMoRE，壳进出口操作温度分别为60℃-40℃， 由于常顶气体冷凝形成H 2 S-HCL-H 2 O的酸液后，对管束外壁形成深度在 0.5-1.5mm 的腐蚀坑。

图4 管束外壁坑蚀形貌

图5 管束外壁坑蚀形貌

  ⑵中性介质或弱碱性介质中发生的吸氧反应

  在弱碱性或中性水溶液中，换热器的腐蚀则为吸氧腐蚀，水质中存在的一些杂质吸附在金属基体上形成铁的氧化物、氢氧化物垢层，这些垢层与金属表面存在电位差，产生电化学反应从而造成金属垢下腐蚀。由于循环水呈中性，所以其反应如下：

  O ₂ +H ₂ O+4e → 4OH ^- （阴极）

  垢层下基体金属发生溶解反应：

  Fe → Fe ²⁺ +2e（阳极）

  基体金属由于垢下电化学腐蚀，不断失去电子产生 Fe ²⁺溶解。另外冷却水中含有少量的 Mg ²⁺ 、Ca ²⁺ 等碳酸氢盐，在一定环境下会发生反应：

  Ca（HCO ₃ ） ₂ +2OH ^- → CaCO ₃ +2H ₂ O+CO ₃ ^2-转化为碳酸盐沉积在垢层中，使得垢层的加厚，垢层内应力随之增加，垢层出现开裂、脱落和鼓泡倾向。

  图 6 溶剂再生塔顶冷凝器封头的腐蚀形貌。该换热器的壳程的操作介质为循环水，操作温度为 33-41℃，操作压力为0.4-0.388MPa，材质为 16MnR。检查结果发现在运行过程中，由于循环水在管箱内结黄褐色硬质垢，导致垢下发生深度为0.2 ~ 0.4mm 不一的坑蚀，如图 6、7 所示。

图6 管箱腐蚀形貌图

图7 管箱接管腐蚀形貌

  2.物理腐蚀

  在炼厂生产过程中，常见的物理腐蚀现象是金属表面的冲刷减薄现象。这种现象是由于介质流体作用于金属表面，经过长时间不断的积累达到物理磨损的一种破坏形式。有些装置加工量大，壳程流体流速快，在高速流体的冲击作用下，从而诱发管子振动加剧，金属表面的保护膜破损，破损处的金属会被介质流体等进一步腐蚀，加快腐蚀的速率，管子振动与介质的磨损共同作用造成冲刷腐蚀。如果高流速和湍流状的液体中还含有气泡或者固体离子，磨损腐蚀就会更加严重。图 8 是某炼厂抽提蒸馏塔立式再沸器壳程入口的腐蚀图，图 9 是入口筒体的局部放大图，管程介质为环丁砜与芳烃，其壳程介质为蒸汽，操作温度达 175℃，压力约 0.1Mpa，壳程入口内壁呈现有方向性的沟槽，典型的换热器冲刷腐蚀。

  这种现象常发生在换热器入口、出口及折流板处出现泄漏，这些部位的管子凹陷现象明显，管子外径缩小，管壁减薄严重，呈现局部的沟槽、波纹等形状，并显示方向性。

图8 再沸器壳体入口冲刷腐蚀图

图9 入口管筒腐蚀图

  换热器腐蚀的监测方法

  1.监测换热器法

  目前大部分炼厂是通过采用监测换热器的方式来对循环水进行监测，监测换热器主要用来对循环冷却水系统中换热器的腐蚀与结垢情况进行现场监测，其工作条件最接近实际工作换热器的工况，具有检测容易、拆装方便等优点。用监测换热器监测冷却水中污垢的情况可以从三方面进行：一是运行一段时间后，将换热管剖开，观察其中污垢的沉积情况，测定污垢厚度；二是测定冷却水运行时的污垢热阻，从而预测或判断换热器内沉积物的堆积程度；三是通过对换热管的化学处理计算出黏附速率及腐蚀率。但是监测换热器一般只能监测一个循环水的腐蚀情况，不能直接反映出各台工艺换热器的腐蚀情况， 所以要选择一些更加全面、 有效的监测方法，来监测换热器的总体腐蚀情况。

  2.挂片失重法

  挂片失重法的原理是通过测量金属挂片腐蚀前后的质量损耗，来计算金属腐蚀速率。它具有操作简单，数据可靠性高的优点，可作为设备选材的依据，也可作为其它腐蚀监测数据的对比。它的缺点是测量周期过长，没有时效性，不能及时反应炼厂设备的腐蚀情况，由于挂入前后都需要人为化学处理，劳动强度大，且管片挂入设备也比较麻烦，炼厂通常是利用装置停工检修时在设备重点腐蚀部位挂入腐蚀挂片，待下次停工检修时取出，周期为两到三年，测量周期过长。

  也有将测量周期缩短改进的，例如广西石化循环水场就有周期为一个月的探针挂片，但是其时间短，其所得数据往往偏小且不稳定，有时甚至得不到结果，因此挂片失重法存在一定的局限性。

  3.电阻探针法

  电阻探针法是可用于所有类型腐蚀环境的实施在线仪器测量技术。 在腐蚀性介质中， 作为测量元件的金属丝被腐蚀后，金属丝长度不变、直径减小，电阻增大，通过测试电阻的变化来换算出金属丝的腐蚀减薄量。

  金属材料在某一温度下电阻值：

  R=ρ×L/S

  （式中：ρ——材料的电阻率， L——为材料的长度， S——材料的截面积 ）长度一定的金属材料在腐蚀减薄后其截面积减少，电阻值增大，我们只要测得其电阻的变化值，即可算出其减薄量。

  但是温度对金属材料的电阻率会有一定影响，为了消除温度的影响，在电阻探针内放入温度补偿原件。电阻探针的优点是不仅可以应用于电解质腐蚀体系，也可以应用于非电解质体系，它操作较为简单，成本也适中，是目前使用比较广泛的在线腐蚀监测方法。但是由于其测量精度低，电阻丝上的局部腐蚀点对测量结果影响比较大，探针丝的强度低寿命短等原因，慢慢的被电感探针所取代。

  4.电感探针法

  电感探针方法是测量金属探针在腐蚀前后的试片减薄量引发的电阻差异的变化来测量腐蚀速率，一般将探针安装于换热器的入口和出口处进行监测。当腐蚀发生时，探针减薄，阻值增大，交流压降增大。此时利用两个时间段信号差值，计算减薄量，从而获得其腐蚀速率，探头内部设置补偿元件，用于消除温度变化的影响（金属电阻在一定范围内随温度的增大而增大）。由于激励信号采用交流信号，所以抗干扰能力强，测量精度和灵敏度都较电阻探针高。其电路检测原理见图 10。

图10 电感探针的电路检测原理图

  探针采用管状和片状结构，探针的温度补偿控制更为理想，所以数据波动小，更有利于指导工艺防腐措施的实施，并且电感探针的寿命也较电阻探针长，而且针对不同温度、压力的介质，都有其适合的类型。

  5.电化学探针法

  电化学探针腐蚀在线监测系统基于电化学 Stern&Geary 定律，即在腐蚀电位附近电流的变化和电位的变化之间成直线关系，其斜率与腐蚀速度成反比：

  （ 其 中：B—— 极 化 常 数， 由 金 属 材 料 和 介 质 决 定Rp——极化电阻 ）

  电化学探针的优点是测量迅速，可以测得瞬时腐蚀速度，及时反映设备操作条件的变化。但只适用于电解质溶液，因此多用在循环水系统的腐蚀监控。

  6.超声波测厚法

  超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度，获得腐蚀的结果。随着在线超声波检测法发展，该方法也被广泛使用在高空，高危部位，以实时监控腐蚀情况，确保装置设备的安全运行。但与传统的超声波测厚检测方法类似均是采用现场工作人员的经验来选择测试部位，由于腐蚀出现的随机性，导致该方法不能确保测试结果有效性，如何选择有效的测试部位，还需要专业技术人员采用科学的方法来选择。

  7.其它监测方法

  除了上述的监测方法外，还有一些特殊用处的监测方法，例如：在线监测冷换设备传热系数和污垢热阻，用来指导冷换设备维修清洗；在线监测循环水的水中油含量及时判断冷换设备的泄露和监测循环水的 pH 值来监测水质，判断冷换设备的泄漏问题等。

  结论与展望

  换热器的腐蚀监测方法很多，且各有特点，现场选择过程中需要综合考量不同的腐蚀类型、去选择最合适的腐蚀监测方法以便能对换热器进行有效监测；在现场复杂的环境中，往往可以采用多种监测方法结合，以便达到更理想的监测效果。

  炼厂中的不仅仅存在换热器的腐蚀问题，其它设备装置的腐蚀问题也层出不穷，因此在生产过程中始终要贯彻好腐蚀监测管理，坚持以设备完整性管理为指导理念，来提高防腐管理水平，它是一个完善、系统的管理过程，以保证设备完整性为首要任务，用整体优化、均衡的方式管理设备整个生命周期，实现设备运行本质安全和节约设备维持成本，并让其可持续发展。

  参考文献

  [1]胥聪敏，张耀亨，程光旭，朱文胜。 国外炼油厂换热设备腐蚀研究现状及发展动态[J].石油化工设备，2005,01:41-46.

  [2]支浩，汤慧萍，朱纪磊。换热器的研究发展现状[J].化工进展，2009,v.28S1:338-342.

  （注：本文参考文献共22个，若需要，请联系本刊编辑部。）

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