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1、表面蒸发式空冷的腐蚀与防护高会杰摘要：本文简要介绍了炼油一部表面蒸发式空冷运行中出现的问题，就空冷在使用中引起管束结垢、腐蚀等原因进行分析。并针对性的实施相应的改进和预防措施，有效的改善了空冷运行状况。关键词：表面蒸发式空冷；腐蚀；结垢具有现代雏形水平布置管束的引风式和鼓风式空冷器，自1935年投入工业运转以来。随着科学技术和炼油工业、石油化工、动力工业的发展要求，空冷技术已突破许多难关，经多方面改进，设备结构型式日趋完善。空冷日益被人们重视，到上世纪四十年代后期，空冷在炼油工业就已得到广泛应用。经过70多年来的发展，现在空冷的结构型式日趋完善，从干式空冷发展到适应不同范围的湿式空冷，干、湿联
2、合空冷等结构型式。表面蒸发式空冷自1990年兰州石油机械研究所研究开发出国内第一台蒸发式空冷后，因其结构紧凑、传热效率高等优点在我国炼油工业中广泛应用。1 概述：炼油一部催化裂化和气体分馏装置共有表面蒸发式空冷24台，其中催化裂化装置16台，气体分馏装置8台。自投用以来，因空冷光管管束腐蚀、结垢严重（见1图），且管束又未做任何防腐处理，运行状况一直不很理想，其中催化装置表面蒸发式空冷投用一年，光管管束就相继发生泄漏。管束的腐蚀泄露造成设备频繁停车、检修堵管和换热管表面堆积大量泥垢，造成空冷管束换热面积和传热效果大幅下降，给装置的安全、平稳生产带来严重威胁。图1光管管束结垢情况另外由于空冷固有的
3、结构和使用特点造成它安装位置较高，检修施工困难。且在每次检修时，需要将管束内部介质被迫排空、置换。造成大量液化气等轻质产品被白白浪费掉。例如检修一台气体分馏装置稳定塔顶空冷器就必须将近3吨液化气排入火炬系统。由此可见表面蒸发式空冷的高效、安全运行，是影响装置平稳运行的一项重要内容，为此就空冷运行过程中出现的一系列问题进行了针对性的改造处理。通过空冷管束换热管材质升级更换、换热管外表面增加防腐涂层、改善空冷水质和更换百叶窗型式等一系列措施，有效的缓解了空冷腐蚀结垢、减少了空冷用水量，进一步提高表面蒸发式空冷运行水平。2 结构特点和工作原理表面蒸发式空冷结构如下图2所示，其结构型式为管束水平放置引
4、风式空冷，并在上部翅片管束和下部光管管束中间布置4根喷淋集合管。利用循环水泵将下部集水池中冷却水输送到喷淋管中，将冷却水自上向下喷淋到光管管束表面，使管外表面形成连续均匀的薄水膜；同时用顶部引风机将空气从光管管束下部百叶窗吸入，使空气自下而上流动，横略水平放置的光管管束和上部的翅片管束，换热管的管外换热依靠水膜、和翅片与空气间的显热传递，同时由于管外表面的水膜迅速蒸发而吸收大量的热量，强化管外传热。冷却水 空气 介质入口 集水槽 引风机 翅片管束 光管 管束 原补水口 喷嘴 现补水口 介质出口 图2 表面蒸发式空冷结构简图3 表面蒸发式空冷运行中的主要问题和原因3.1 运行中出现的问题 由以上
5、表面蒸发式结构特点可以看出，空冷循环冷却水系统属于敞开式循环冷却系统。冷却水在系统中不断循环使用，造成冷却水不断被蒸发，各种无机离子和有机物质的不断被浓缩。加上在使用过程中加入大量新鲜水，在长期使用中受到阳光照射，风吹雨淋，灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等各种因素的综合作用，导致系统的结垢、沉积物的附着。由于空冷循环水系统未作任何水质处理，单纯依靠排污改善水质。致使集水槽内冷却水浊度较高，并滋生大量的有害微生物。到2004年表面蒸发式空冷管束和其附属构件发生严重腐蚀结垢，换热管外壁积结23mm左右的垢层，给装置的安全、平稳生产带来严重威胁。图3 腐蚀破损的空冷百叶窗 催化装置为方便调节并平
6、衡各空冷集水槽水位，将多台集中安装的空冷的集水槽连在一起，分别从中部两个上水口集中补水。这样布置在一定程度上缓解了集水槽水位的波动，但同时造成离补水口较远的两侧空冷冷却水具有相对较高的浓缩倍数，水质较为浑浊。气分装置表面蒸发式空冷是单台补水，但补水口和循环水泵吸入口分别位于集水槽两端，如图2所示，造成泵吸入口冷却水浓缩倍数为集水槽内相对较高的区域。为此长期以来依靠大量排污，来改善空冷冷却水水质以减缓空冷腐蚀结垢。这样造成大量冷却水被白白浪费掉，按保守计算每月就有3000余吨软化水被排入污水系统。 另外随着空冷百叶窗等构件腐蚀破损，加上空冷集水槽水位靠人工调节，当水位较高时大量喷淋水从破损的百叶
7、窗中飞溅出去，造成空冷平台表面积水腐蚀。并从平台花纹板泪孔和缝隙中向下渗漏，影响空冷周围和下面泵房现场设备卫生环境。图3为空冷百叶窗更换前的破损情况。3.2 冷却浊度增加原因表面蒸发式空冷循环用水主要来自我厂动力车间软化水，在软化水不足时用新鲜水作为补充用水。由于冷却水反复与空气接触，大气中的尘埃以及冷却水系统生成的腐蚀产物、微生物繁衍生成的粘泥都会成为悬浮物。这些生成的悬浮物部分沉积在下部集水槽的底部、部分悬浮在冷却水中，使冷却水的浊度升高。特别是催化装置空冷，在远离补水位置的集水槽内冷却水浊度高达30mg/l以上。 3.3 冷却水结垢冷却水在运行过程中，补充水不断进入冷却水系统。此时，补充
8、水的一部分水被蒸发进入大气，另一部分则留在冷却水中被浓缩，特别是由于补充新鲜水含盐量高，硬度较大。在冷却水循环使用过程中，碳酸盐、硫酸盐的盐类的浓度随着蒸发浓缩而增加。其中以溶解的重碳酸盐如Ca(HCO3)2、冷Mg(HCO3)2最不稳定，冷却水在经过喷嘴下喷淋时，由于溶解在水中游离的和半结合的酸性气体CO2的逸出，加上管束外表面温度相对较高，促使碳酸盐晶粒析出沉积在管束表面，反应进行见下式。CaCO3沉积在换热管表面，形成致密的碳酸钙水垢。3.4 微生物的滋生和生物粘泥由于空冷用冷却水的反复使用，空冷冷却水水温长期维持在3035左右，水中的养分的随着冷却水的蒸发被不断浓缩，加上阳光可透过百叶
9、窗照射到集水槽水面上。 给细菌和藻类的迅速繁殖和滋生创造了有利条件。大量的细菌和藻类分泌的粘液，将悬浮在水中的无机腐蚀产物、灰沙淤泥等粘结在一起形成粘泥沉积物，在喷淋水的作用下与硬质水垢一起附着在空冷光管管束上，随着时间的推移愈积愈厚。由于水垢的导热系数比钢铁小得多，它的存在严重影响下部光管管束的传热效率。粘泥的存在还会形成氧的浓差电池，引起管束垢下腐蚀。同时粘泥又给一些细菌微生物如硫酸盐原菌、铁细菌等，提供良好的滋生场所。这样相互感染，加速空冷管束腐蚀。另外在空冷顶部引风机影响下，一部分水滴被大量空气携带到上部翅片管束上，使硬质和软质水垢在翅片间沉淀堆积。由于翅片间隙较小，水垢的存在不但降低
10、上部翅片管束传热效率、腐蚀管束，同时使空气流通面积下降，造成空冷器冷却负荷下降。2006年4月18日气体分馏装置丙烯塔顶空冷器就是由于翅片管束结垢严重，被迫逐台停车高压清洗。图4和图5分别为翅片管束结垢和翅片腐蚀情况。图5翅片管束腐蚀情况图4翅片管束清洗前结垢情况3.5空冷的腐蚀原因 冷却水的溶解氧引起的电化学腐蚀由于冷却水喷淋的作用，使水与空气能充分的接触，导致水中溶解的O2达到饱和状态。当喷淋下来的水与换热管接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢表面会形成许多腐蚀微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列氧化反应和还原反应。这些反应，促使微电池中阳极区的金属不断溶解而被腐蚀
11、。如下所示：阳极 阴级 在水中当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时，就会生成Fe(OH)2沉淀，见下式：由于喷淋水中溶解的氧较充分，从而导致Fe(OH)2沉积在管束外壁会进一步氧化，生成黄色的锈FeOOH或Fe2O3H2O。 垢下腐蚀管束表面由于电化学腐蚀造成管束表面的粗糙度增加，有利于沉积结垢和增强表面晶核的附着能力。此外由于铁细菌在冷却水系统作用，它可以把可溶于水中的亚铁离子转变为不溶于水的三氧化二铁的水合物，并作为其代谢作用的一部分产生大量的氧化铁沉淀，从而形成铁锈瘤。见图6图6 换热管表面的铁锈瘤由于管束表面水垢等沉积物的屏蔽作用，造成冷却水中溶解氧在水相与垢相中的浓度不同，从而形成了氧
12、浓差电池所产生的电化学腐蚀。在氧浓度大的水相中，碳钢表面为阴极，而在氧浓度小的垢相中，碳钢表面为阳极。喷淋水中氧由于与空气充分接触使得氧处于饱和状态，使得氧在水、垢两相中浓度差较大，在阴阳两极产生较大的电位差，从而造成Fe极易氧化成Fe2+，随着腐蚀产物的不断增加，垢层越积越厚，阴阳两极的电位差随着垢层增加而加大，促使腐蚀加剧，向换热管深处发展直至穿孔。在管束和水垢之间由于含氧量较低（特别是在铁锈瘤中心位置），为使一些厌氧菌如硫酸还原菌得以繁殖。硫酸还原菌分解水中的硫酸盐，产生H2S进一步加速管束腐蚀。见下式4 预防和应对措施由以上分析可以看出要缓解空冷管束腐蚀结垢，需要从改善空冷水质，减小浓
13、缩倍数及控制微生物滋生和繁殖，以降低循环用水的结垢倾向；另外选用合理管材和措施以提高空冷管束耐蚀能力；和投加缓蚀剂等措施和方法来延长其使用寿命。为此车间针对性对以上各方面进行改进。4.1 空冷管束材质升级为缓解管束腐蚀速率，于2004年大修将分顶空冷E1202/B管束换热材质升级为0Cr18Ni9，利用它的高度的稳定性和耐蚀性来降低管束的腐蚀速率，保证空冷长周期运行。因为不锈钢的本身价值相对较高，只在分顶空冷和液化气空冷了两台不锈钢光管管束，以观察它和做防腐涂层管束两者在表面蒸发式空冷中适用情况。4.2 管束外表面增加防腐涂层除上述两台空冷外，催化空冷其余14台和气分8台空冷光管管束，均在管束
14、外表面增加TH901环氧漆酚甲醛钛酸酯防腐涂层。由于涂料本身表面光滑致密具有较强抗渗透性，利用涂层的屏蔽作用隔绝冷却水和管束金属表面的接触。另外涂料中由于掺杂进大量的较活泼的金属粉末，金属粉末的电极电位远远低于铁的电极电位，从而使得管束成为阳极而溶解的倾向降低，起到电化学保护的作用。4.3 改善空冷水质为改善空冷腐蚀结垢状况，并改善水质、降低外排污水量，于2004年底，在催化装置软化水来水总线上，向软化水中加注缓蚀阻垢剂以减缓管束和内构件腐蚀。 在上水总线上增设水力控制阀，使空冷集水槽水位稳定在一个特定位置，在保证循环水泵正常运行情况下，既减少空冷喷淋水飞溅，又避免人工调节造成水位波动和外溢。
15、 调整了空冷补水的进水位置，以解决补水分布不均问题，。从原来8台空冷2个补水口，增加为各台空冷单独补水，并将原补水位置改在循环水泵侧，如图2所示。从而使得各台空冷循环水泵吸入口的冷却水的浓缩倍数相对较低， 气分装置软化水也于2006年底该由催化装置引入，由于调整了气分表面蒸发式空冷补水流程，使得原有75KW的循环水泵P1509停掉，仅此一项就可节约电能1800KW/天4.4 更换百叶窗为防止喷淋水在集水槽内飞溅，于2006年4月将原有百叶窗改型更换为无机材质，见图7。改造后由于现在百叶窗透气孔为折形通道，有效阻挡喷淋水飞溅到集水槽外，而且使阳光无法穿透百叶窗到达水面，从而阻止集水槽内藻类等微生
16、物的生长和繁殖。图7 更换后的百叶窗图8光管管束运行现状5 结束语经过采取以上措施，空冷运行状况得到有效改善，空冷集水槽内水质明显好转，水质清澈，空冷腐蚀结垢得到有效控制。目前表面蒸发式空冷不锈钢管束和做防腐涂料的管束均运行良好。图8为催化装置光管管束使用现状。催化装置E1212柴油空冷于2002年3月更换的管束（2000年10月投用），截至目前已运行5年，至今管束未发生泄漏，运行情况良好。 参考文献兰州石油机械主编换热器烃加工出版社1990.5秦国治，田志明防腐蚀技术及应用实例化学工业出版社2002.4周本省工业水处理技术化学工业出版社1997.2谷其发 李文戈炼油厂设备腐蚀与防护图解中国石化出版社2000.3金熙水处理技术问答及常用数据化学工业出版社1997.1
