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浅析表面蒸发式空冷的腐蚀与防护

时间:2011-04-23  作者:秩名

论文导读:表面蒸发式空冷做为新型空冷器因其结构型式紧凑、传热效率高等优点在我国炼油工业中被广泛应用。但随着空冷光管管束腐蚀、结垢日益严重。通过对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。
关键词:表面蒸发式空冷,腐蚀,结垢,措施
 

1 概述

表面蒸发式空冷做为新型空冷器因其结构型式紧凑、传热效率高等优点在我国炼油工业中被广泛应用。炼油一部于2001年在装置改造中采用表面蒸发式空冷做为塔顶冷却器,其中催化裂化装置16台,气体分馏装置8台。运行初期,表面蒸发式空冷有效解决了塔顶冷却能力不足的问题,尤其在夏季生产中发挥了重要的作用。

但随着空冷光管管束腐蚀、结垢日益严重,空冷运行状况逐步恶化,其中催化装置表面蒸发式空冷投用一年后,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,由于检修堵管和换热管表面堆积大量泥垢(见图1),空冷管束换热面积和传热效果大幅下降,另外由于其固有的结构和安装使用特点,检修施工时较其他管壳式换热器困难,给装置的安全、平稳生产带来一定影响。

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针对性的改造处理。通过对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的运行水平。

2 结构特点和工作原理

表面蒸发式空冷结构如图2所示,其结构型式为管束水平放置引风式空冷,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;同时顶部风机将空气从百叶窗吸入,使空气自下而上流动,掠过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、和翅片与空气间进行热传递,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。

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

⑴由表面蒸发式空冷结构特点可以看出,空冷循环冷却水系统属于敞开式循环冷却水系统。由于冷却水在系统中循环使用、蒸发,水中无机离子和有机物质被不断浓缩,加上在长期使用中受到阳光照射,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,导致系统的结垢和沉积物的附着。另外由于本单位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,见图1、图3。换热管外壁垢层高达2~3mm左右,严重影响管束的传热效率。

⑵ 催化装置为方便调节并平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,但同时造成远离补水口两侧空冷冷却水浓缩倍数较高,水质浑浊。

气分装置表面蒸发式空冷虽然是单台补水,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,使循环水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,按保守计算每月有3000余吨软化水被排入污水系统。

⑶ 另外随着空冷百叶窗腐蚀破损,喷淋水从破损的百叶窗中飞溅出去,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 冷却水浊度增加原因

表面蒸发式空冷循环用水主要来自我厂动力车间软化水。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 空冷冷却水结垢

空冷在运行过程中,补充水不断进入冷却水系统,补充水的一部分随者蒸发进入大气,另一部分则留在冷却水中被浓缩。在冷却水循环使用过程中,碳酸盐、硫酸盐等浓度随着冷却水蒸发浓缩而增加。其中重碳酸盐如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2在冷却水向下喷淋时,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外表面,反应进行见下式。

CaCO3沉积在换热管外表面,形成致密的碳酸钙水垢。

3.4 微生物的滋生和生物粘泥

由于空冷冷却水的反复使用,冷却水水温长期维持在30~35℃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窗照射到集水槽水面上。 给细菌和藻类的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。论文发表,措施。。

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,造成空冷冷却负荷下降。2006年4月气体分馏装置丙烯塔顶空冷就是由于翅片管束结垢严重,造成塔顶冷后温度升高,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。

3.5空冷的腐蚀原因

⑴ 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。促使微电池中阳极区的管束不断溶解而被腐蚀。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,在管束上生成黄色的FeOOH或Fe2O3·H2O铁锈瘤。见图6

⑵ 垢下腐蚀

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,形成垢下腐蚀。

喷淋水中的氧由于与空气充分接触,水中氧始终处于饱和状态,使氧在水、垢两相中浓度差较大,在阴阳两极产生较大的电位差,导致管束中Fe氧化成Fe2+。论文发表,措施。。腐蚀速率随着垢层厚度的增加而加剧,最终在铁锈瘤深处发展直至管束腐蚀穿孔。论文发表,措施。。

4 预防和应对措施

由以上分析可以看出缓解空冷管束腐蚀结垢,需要从改善空冷水质,减小冷却水浓缩倍数以及控制冷却水微生物滋生和繁殖,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;向冷却水中投加缓蚀剂等措施和方法来延长空冷管束的使用寿命。

4.1 空冷管束材质升级

为缓解管束腐蚀速率,于2004年大修将催化装置部分空冷管束换热管材质升级为0Cr18Ni9,利用它的高度稳定性和耐蚀性来降低管束的腐蚀速率。因为不锈钢的本身价值相对较高,只在催化装置分顶空冷和液化气空冷上更换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,在催化其余14台和气分8台空冷光管管束外表面增加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,在运行中对管束起到屏蔽和减小结垢倾向的作用。

4.3 改善空冷水质

⑴ 为改善空冷腐蚀结垢状况,改善水质和降低外排污水量,于2004年底,催化装置增上一套缓释剂加注系统,在软化水来水总线上加注缓蚀阻垢剂以减缓管束和内构件腐蚀、结垢。为便于缓释剂加注系统操作和集中控制,在2006年底气分装置空冷用水改由催化装置引入。

⑵为解决补水分布不均的问题,调整空冷补水位置。将空冷原补水位置改在集水槽对面循环水泵侧且改造为各台空冷单独补水,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。

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。改造后由于百叶窗透气孔为折形通道,在保证通风的前提下有效阻挡喷淋水飞溅到集水槽外,而且使阳光无法直接穿透百叶窗到达水面,从而阻止集水槽内喜光类微生物的生长和繁殖。

5 结束语

经过采取以上措施,有效改善了表面蒸发式空冷的运行状况。空冷集水槽内水质明显好转,水质清澈,管束腐蚀、结垢问题得到有效控制。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
⑴兰州石油机械研究所主编.换热器.北京烃加工出版社.1990
⑵秦国治,田志明.防腐蚀技术及应用实例.北京化学工业出版社.2002
⑶周本省.工业水处理技术.北京化学工业出版社.1997
⑷谷其发,李文戈.炼油厂设备腐蚀与防护图解.北京中国石化出版社.2000
⑸金熙.水处理技术问答及常用数据.北京化学工业出版社.1997
 

 

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