热交换器结垢与腐蚀问题优化方案

凡投入运行的热交换器都将因与流体的接触而在传热面上结垢，从而影响流动与传热。与此同时，流体常会对传热面产生腐蚀，严重时将影响到热交换器的使用寿命。所以，结垢与腐蚀问题成为工程传热所要研究的两个重要方面，对此作一概括了解甚为必要。

1）污垢类型及除垢方法

污垢的种类因流体的特性、流体中夹带物及传热面材料的不同而有很多类型，除垢方法因而亦异，归纳起来大致如下。

（1）结晶型污垢

如钙镁类盐，在水中的溶解度随温度升高而降低，在壁面上形成结晶型污垢。对水质进行预处理或加入化学物质以提高结晶盐类在水中的溶解度，可消除或减轻此类污垢。

（2）沉积型污垢

壁面上的锈、杂物、悬浮在燃烧产物中的灰和未燃尽的颗粒等，一旦进入热交换器就会因流速下降而沉积下来；另一类带负电荷的胶体颗粒常与传热面上一层溶于水中的带正电的铁离子互相作用而沉积成垢。一般可通过机械过滤、沉淀或化学凝聚等方法除去这类污垢。

（3）生物型污垢

如藻类、菌类本身或其剥落物附着在传热面上形成污垢，不但阻碍流动和影响传热，而且腐蚀传热面。在水中加入氯或杀藻剂等可防止此类污垢形成。

（4）其他

由于壁面腐蚀，燃烧结焦，某些工艺过程生成的化学反应物或聚合物等，也都形成污垢，可针对其生成原因采取相应措施。

至于污垢的形成速度、厚度及牢度还和运行条件、设备结构状况等有关。总体来说，介质中含悬浮物、溶解物及化学稳定性差的物质易结垢；流体流速低、温度变化大或与壁面间温差大时易结垢；壁面粗糙或结构上有旁通、短路、死角等使流动不均匀或滞流时易结垢。

减轻甚至消除污垢的方法很多，应根据热交换器中流体的性质、材质及热交换器的构造而选用合适的方法。为了除垢，可以从对流体的预先处理、运行中防止和清理传热面结垢三方面采取措施。如，为了减轻电站冷凝器的结垢，对于闭式的冷却水系统，可以对冷却水采用加酸处理、炉烟处理和添加磷酸盐的处理等方法。同时，还可以对冷凝器在运行中采用海绵球的自动清洗方法，见参考文献[15]。

2）污垢热阻

传热面上污垢对传热系数的影响通常用污垢热阻rs或其倒数——污垢系数hs来度量。

式中 δs、λs分别为垢层厚度及其导热系数。

污垢热阻的大小和流体种类、流体流速、运行温度、流道结构、传热表面状况、传热面材料等多种因素有关。图6.9表示了水和原油的污垢系数随温度和流速而变化的情况。有关污垢的经验数值可参考附录C～E。

图6.9 温度和流速对结垢的影响

每单位面积上的材料沉积量m和垢阻rs、垢的密度ρs、垢的导热系数λs及沉积厚度δs之间有以下关系：结垢曲线即为m或rs与时间τ的函数关系，曲线的型式一般有三种：①随时间线性增加。②随时间增加结垢速率下降。③渐近特性，即m或rs值最后趋于与时间无关。在沉积或结垢前，常常有一段起始或滞后时间（图6.10），是否有这一潜伏期取决于结垢的型式[17]。对于污垢热阻的测定，可以采用对所使用的热交换器进行现场实测的方法，也可以利用动态污垢监测装置对一个试验元件进行垢阻测定[16]。污垢的存在使流体的流动和传热状况变差，从而影响其经济性。它体现在：①设备投资增加；②能耗加大；③维护清洗费用增加；④产品产量降低。据参考文献[25]报导，我国专家按上述①～③对我国2000年电力工业的锅炉和冷凝器因污垢而增加的费用粗略估算为128.21亿元，约占我国GDP的0.15%。这一数字仅是针对电力系统中的部分设备，如果再考虑其他行业，则污垢费用将会大幅增加，可见污垢造成的损失多么巨大。所以，防垢除垢已成为节能降耗的一个不可忽视的重要方面。

3）腐蚀类型及腐蚀测试

由于所接触的介质的作用使材料遭受损害、性能恶化或破坏的过程称为腐蚀。腐蚀产物会形成污垢；污垢也会引起腐蚀，因此腐蚀与污垢的形成都不是独立的过程，两者密切相关、相互影响。腐蚀的种类很多，影响腐蚀的因素也很多。热交换器的材料、结构情况、参与热交换的流体种类、成分、温度、流速等等都影响着腐蚀。水是热交换器中用得最广的一种热交换流体，在此以水为例来讨论金属在水中的腐蚀。

图6.10 垢阻与时间关系

（1）腐蚀类型

由于工业用水中含有杂质而造成工业用水对大部分金属产生腐蚀。金属在水中的腐蚀为电化学腐蚀，电化学腐蚀又分全面腐蚀和局部腐蚀。如果腐蚀分布在整个金属表面上，就称为全面腐蚀，但它可以是均匀的，也可以是不均匀的。如果腐蚀破坏主要集中在一定的区域，而其他部分未被腐蚀，则这种腐蚀破坏形态称为局部腐蚀。局部腐蚀比全面腐蚀更危险。腐蚀面积越小，点蚀越深，危害也越大。实际上引起热交换器穿孔的主要原因往往是点蚀。水中杂质对腐蚀影响最大的是来自空气中的溶解氧；另一种最常见的引起腐蚀的物质是水中的溶解盐类，其中最主要的是氯化物。金属在水中的腐蚀类型大致有以下几类：

①溶解氧腐蚀

这种腐蚀是由于碳钢与溶于水中的氧作用生成铁的氧化物所致。这类腐蚀往往是不均匀的全面腐蚀。但如果水质较硬，也有可能出现局部腐蚀。

②电偶腐蚀

如果设备中的某些零部件用不同的金属材料制成，它们又相互连接并置于水中，则由于不同材料的金属的电极电位不同而形成电偶电池，这时所产生的腐蚀为电偶腐蚀。最常见的例子是碳钢与铜之间的电偶合而加速钢的腐蚀。

③缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是由于金属与覆盖物（金属或非金属）之间形成特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞流状态，而且这种介质中存在危害性阴离子（Cl-）时所产生的一种腐蚀形式。如，热交换器的法兰连接面、锈层和垢层下面等处均可能产生。热交换器的穿孔常常由于缝隙腐蚀所引起。

④点腐蚀

点蚀是一种特殊的局部腐蚀，导致在金属上产生小孔，严重时可使设备穿孔。点蚀主要发生在像铝、钛、不锈钢等一类能自钝化（包括有钝化膜）的材料在含有溶解氧和危害性阴离子（主要是Cl-）的介质中。一般说来对点蚀敏感的金属，在有缝隙的情况下也特别容易产生缝隙腐蚀。在所有的材料中，不锈钢对点蚀最敏感。(www.xing528.com)

⑤应力腐蚀开裂（SCC）

金属在拉应力和腐蚀介质的联合作用下所引起的开裂，称为应力腐蚀开裂，习惯上用SCC来表示。对于不锈钢、钛合金、铝合金，有时甚至碳钢等材料在通入含Cl-的气体介质中，由于应力的作用，很容易产生应力腐蚀开裂。如图6.11所示的一台垂直安装的不锈钢热交换器，冷却水在管外，工艺介质在管内。因为设计上的不合理，管的上部不能充满冷却水而出现了死角。在冷却水的流动过程中，由于冷却水的飞溅作用使死角成为干、湿交替的部位。即使冷却水的盐度很低，但在这个干湿交替部位由于冷却水不断被浓缩，盐度不断增高，胀管部位的张应力和高温促使管子在缝隙处很快开裂。

图6.11 不锈钢热交换器的应力腐蚀开裂示意图

⑥磨损腐蚀

由于介质的运动速度大，或介质与金属构件相对运动速度大，导致构件局部表面受到严重的腐蚀损坏，这类腐蚀称为磨损腐蚀。磨损腐蚀是高速流体对金属表面已经生成的腐蚀产物的机械冲刷作用和对新裸露金属表面的侵蚀作用的综合结果。磨损腐蚀又可分为湍流腐蚀和空泡腐蚀两种。湍流腐蚀发生在设备的某些特定部位，如热交换器管的入口端，由于流速的突然增大在该处形成湍流，使金属表面受到很大的扰动（切应力），从而引起的腐蚀。空泡腐蚀又称气蚀。它是在流体与金属构件做相对运动时，在金属表面局部地区产生涡流，因而伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭，由此对金属表面产生冲击而导致腐蚀。

⑦氢危害

它表示由于氢的存在或和氢作用而使金属遭受的损害，包括：氢鼓泡、氢脆、脱碳、氢腐蚀四种。如，碳钢与低合金钢在含硫化氢的地热水中就可能发生氢脆。

⑧微生物腐蚀

微生物腐蚀是一种特殊类型的腐蚀，它很难单独存在，往往总和电化学腐蚀同时发生。产生微生物腐蚀的最主要原因是由于污泥积聚，污泥覆盖下的金属表面是贫氧区，由于氧浓差电池的作用使金属遭受局部腐蚀。此外，由于微生物的繁殖产生了特殊的腐蚀环境，使腐蚀加剧。例如，冷却水系统中沉积的河底淤泥含有硫酸盐还原菌，这是一种腐蚀性很强的细菌，它能把硫酸盐还原成硫化物。

（2）腐蚀测试

金属遭受腐蚀后，其重量、厚度、机械性能、组织结构等都会发生变化。这些物理和力学性能的变化率可用来表示金属腐蚀的程度，因而有不同的腐蚀率的表示方法，常用的一种是深度表示法。

金属腐蚀的深度表示法是用单位时间（通常以年计）的腐蚀深度来表示腐蚀率，我国常用单位是mm/yr。在一些文献中尚有以iPY（英寸/年）和mPY（密耳/年，1密耳=10-3英寸）为单位。

以深度表示的腐蚀率可按下式计算：

式中 m1、m2——腐蚀前后挂片的质量，g；

A——挂片表面积，m2；

τ——挂片试验的时间，h；

ρ——挂片密度，g/cm3；对于钢，ρ≈7.8g/cm3；

Km——以失重表示的腐蚀率，g/（m2·h）。

根据年腐蚀深度的不同，可将金属的耐腐蚀性分为十级标准，见表6.1。表中所列指标只适用于均匀腐蚀的评定，不能用来评定局部腐蚀。

应该注意到，腐蚀率是一个随时间而变化的量。在腐蚀开始阶段，腐蚀率一般是最高的，以后由于保护性腐蚀产物或多或少地沉积于金属表面，腐蚀率逐渐下降。在水腐蚀过程中，金属的失重和沉积物厚度的增加与时间的关系呈如图6.12所示的非线性关系。由图可见，随着测试时间不同，平均腐蚀率也将不同，测试时间越长，测得的平均腐蚀率越接近于实际值。

图6.12 腐蚀率-时间曲线示意图

腐蚀率的测试方法通常采用挂片测试。挂片的材质应当是被研究对象（如热交换器的传热面）的材质。挂片形状一般都为矩形薄片，大小可按需要确定。为了达到某种特殊测试目的，可制成专用的试样。如，测定缝隙腐蚀，应制成缝隙试样。进行挂片测试前，应对挂片表面处理（除锈、抛光等）、脱脂清洗。测试时，最好把挂片浸入与被研究对象相接触的流动液体中（如，流过热交换器传热面的水），一般可悬挂在液面以下1～2cm。根据需要，尚可作间浸（即一段时间浸入液面以下，另一段时间挂在液面上，如此交替进行）测试。挂片的天数一般不要少于3天，挂片数目以3片为宜，以便求取平均值，减少测试误差。

至于点腐蚀的测试就不能用失重法，应测量点蚀的深度，目前应用最广的方法是测定单位时间内的最高腐蚀深度，mm/yr和单位面积上的点蚀数，用这两个数来表示点蚀程度。

表6.1 均匀腐蚀的十级标准

4）腐蚀的防止

鉴于腐蚀类型及影响腐蚀因素极多，对于腐蚀的防止应根据具体对象及条件采取针对性措施。概括起来，大致有以下一些防蚀办法。

（1）加添加剂。为了减轻腐蚀，在条件许可的情况下，可在传热流体中加入缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂等。如，在热交换器的冷却水中加入铬酸盐，使在传热的金属表面上形成金属氧化物的保护膜而抑制腐蚀反应。

（2）电化学保护。它是对被保护的金属设备通以直流电，使之极化，以消除引起腐蚀的电位差。有阴极保护和阳极保护两种。

（3）采用耐腐蚀的材料或涂（镀）层。根据腐蚀介质的情况，采用耐腐蚀的金属或非金属材料，或者在基材上涂（镀）某种耐腐蚀的材料。如，用加有石墨的聚丙烯制造管壳式热交换器；在板式热交换器传热板片上加金属镀层。

（4）改进结构设计。如，凝汽器的冷却水管入口端易发生冲击腐蚀（即空泡腐蚀），为此可在这部分的铜管上加装一段聚乙烯套管，把铜套表面覆盖起来；为避免产生应力腐蚀性开裂，热交换器的结构设计时应考虑到尽量避免产生应力集中。

（5）控制运行工况。使热交换器运行在合理的工况下，避免因偏离设计工况过大而造成逐步温度或流速过高使腐蚀加剧。

（6）注意热交换器的清洗。为避免热交换器中因结垢或淤泥堵塞或微生物繁殖而引起腐蚀，应根据热交换器的工作条件进行反冲洗或化学清洗或机械清洗。