重油冷却器换热管泄露原因分析及处理

邓宏杰，马宝社，邓 涛，赵 渊

(武汉凯迪电力工程有限公司，湖北 武汉 430223)

国外某2×220 MW机组电厂采用重油进行锅炉点火启动和低负荷喷油助燃，为此电厂燃油系统设计有重油贮罐、供油泵、重油蒸汽加热器和重油水冷却器。根据重油输送及燃烧器雾化需要，利用蒸汽加热器将重油加热到100～120℃，重油回油通过重油冷却器将其从100～120℃降温到50℃，然后回重油罐。重油冷却器中重油走管程，冷却水走壳程，冷却水为淡水，来自电厂附近的河水经机械搅拌澄清池和空气擦洗重力式滤池处理后用于重油冷油器冷却水，冷却回水返回电厂凝汽器用机力冷却塔循环水池。油侧工作压力2.0 MPa,换热管采用10#钢φ25×2.5(mm)；水侧工作压力0.6 MPa。该重油冷却器投运10个月后出现换热管泄露，造成冷却水中携带大量重油。

表1 冷却水水质主要指标

表2 重油油质主要指标

1 换热管内外表面宏观腐蚀分析

图1 可以看出换热管外表面腐蚀严重，腐蚀产物主要呈黑色和深棕色，黑色部分主要是换热管漏油后，油污附着在管道外壁所致，深棕色部分为主要的腐蚀产物层，较疏松，易脱落，表面呈凹凸不平溃疡状腐蚀形态。管道内表面主要腐蚀形态为黑色的重油油污油垢与铁锈的混合物吸附。

图1 换热管表面宏观腐蚀形貌

从图2可以看出，除锈后的管束外表面呈凹凸不平面积大小不一的坑蚀，结合除锈前的腐蚀形貌来看，具有明显的垢下腐蚀特征。除锈后的内表面没有特别明显的蚀坑，呈现比较均匀的腐蚀形态。

图2 换热管除锈后内外表面宏观腐蚀形貌

2 换热管内外表面微观腐蚀分析

2.1 表面微观腐蚀分析

图3为换热管外表面微观形貌和EDS能谱分析结果。从图3中可以看出：10#钢换热管外表面腐蚀产物层呈凹凸不平、叠层状、颗粒状，并且腐蚀产物疏松，易脱落。从图3 EDS图中看出，外表面的腐蚀产物中主要有C、Fe、O、Si、Ca和少量S元素。结合换热管工作条件，根据EDS结果可以看出外表面主要腐蚀产物为FeO。由于外表面流通的主要介质为工业水，结合冷却水水质条件，可以看出垢层主要由Si和Ca组成。

图3 换热管外表面微观腐蚀形貌及EDS结果

图4为换热管内表面微观形貌和EDS能谱分析结果。从图中可以看出：10#钢换热管内表面腐蚀产物层较平整，但也有明显的分层剥落现象。从图4 EDS图中看出，内表面的腐蚀产物中主要C、Fe、O、S和少量Ca元素。其中，C、O和Fe元素峰值较高。由于管内介质为重油，结合重油油质，可以看出碳元素主要是重油中有机碳带来，形成碳化物。氧元素为铁的氧化物或氢氧化物，硫元素主要是内表面形成的硫化物。

图4 换热管内表面微观腐蚀形貌及EDS结果

2.2 截面微观腐蚀分析

图5为钢换热管外表面截面微观形貌和EDS能谱分析结果。从外表面截面微观形貌可以看出，腐蚀产物为层状的、疏松、易脱落。腐蚀产物层为连续的，厚度高低不平，腐蚀产物膜厚度大约从100 μm到260 μm，平均值大约为180 μm。从表1所对应图5(c)截面腐蚀产物EDS结果来看，与换热管外表面腐蚀产物的EDS能谱分析结果一致。

图5 换热管外表面截面微观腐蚀形貌

表3 图5(c)对应的EDS线扫结果

图6为换热管内表面截面微观形貌和EDS能谱分析结果。从内表面截面微观形貌可以看出，整个腐蚀产物层比外表面截面腐蚀产物层致密，厚度较外表面截面腐蚀产物层均匀，这可能与管内介质重油油污吸附产生的腐蚀产物有关。腐蚀产物膜厚度大约为120 μm。说明外表面腐蚀产物膜厚度大于内表面。从表2所对应图6(c)截面腐蚀产物EDS结果来看，10#钢换热管截面内表面腐蚀产物有Cl元素的出现，可能重油中Cl－已渗入到腐蚀产物膜深处。

图6 换热管内表面截面微观腐蚀形貌

表4 图6(c)对应的EDS线扫结果

3 电化学试验分析

为了对比不同换热管材质在重油冷却器冷却介质(水质详见表1)条件下的耐腐蚀性能，分别取尺寸10×10 mm、工作面积1.0 cm2的10#钢、TP304不锈钢、TP316不锈钢，在PAR2273电化学工作站进行，采用三电极体系进行试验，试验时长为7天，判定在相同介质条件中的耐腐蚀性，电化学试验结果见表3。

表3 不同温度介质电化学测试结果

从表3中可知：

(1) 10#钢在工业水介质中随温度的升高，腐蚀加重，腐蚀速率升高。当介质温度升到100℃时，腐蚀速率降低，这与介质温度升的过高其中溶解氧含量降低过大有关。

(2) 10#钢在工业水介质中加入高温缓蚀剂后耐蚀性增强，腐蚀速率降低。

(3) TP304不锈钢、TP316不锈钢材质耐腐蚀性能明显优于10#钢，且TP316不锈钢耐蚀性好于TP304不锈钢。

4 原因分析

通过对10#钢换热管除锈前后宏观形貌观察可以看出：10#钢换热管外表面发生大面积的溃疡状腐蚀和坑蚀，内表面局部有明显的蚀坑，但大面积呈现比较均匀的腐蚀形态。

通过对10#钢换热管微观形貌观察可以看出：从外表面截面微观形貌可以看出，腐蚀产物为层状的、疏松、易脱落。腐蚀产物层为连续的，厚度高低不平，腐蚀产物膜厚度大约从100 μm 到 260 μm，平均值大约为 180 μm。内表面截面腐蚀产物层比外表面截面腐蚀产物层致密，厚度较外表面均匀，腐蚀产物膜厚度大约为120 μm。因此，外表面腐蚀产物膜厚度大于内表面，外表面腐蚀较内表面严重。

从EDS对腐蚀产物成分分析结果来看，10#钢换热管外表面的腐蚀产物中主要有C、Fe、O、Si、Ca和少量S元素。结合运行条件，可以看出，外表面主要腐蚀产物为FeO等铁的氧化物。外表面流通的主要介质为冷却水(水质详见表1)，腐蚀产物含有Si和Ca，因此会产生结垢，在高温段这种倾向会更明显，垢层下的腐蚀会加大局部腐蚀如点蚀的倾向，应是腐蚀穿孔的重要原因之一。内表面的腐蚀产物中主要C、Fe、O、S和少量Ca元素。其中，C、O和Fe元素峰值较高。由于管内介质为重油(油质详见表2)，因此碳元素主要是重油中有机碳带来，形成碳化物。氧元素为铁的氧化物或氢氧化物，S和Cl元素主要是重油在内表面形成的硫化物和氯化物。同时也是影响内表面腐蚀的主要原因。而内外表面在某一处腐蚀的协同作用是造成10#钢换热管腐蚀穿孔的直接原因。

垢下腐蚀，由于受设备几何形状和腐蚀产物、沉积物的影响，使得介质在金属表面的流动和介质的扩散受到限制，造成被阻塞的空腔内介质化学成分与整体介质有很大差别，空腔内介质pH值发生较大变化，形成阻塞电池腐蚀，尖端的电极电位降，造成电池腐蚀。根据换热管除锈前的宏观及微观形貌来看，外表面存在一层垢层，剥离垢层后呈现明显的凹凸不平的蚀坑，属于垢下腐蚀现象。同时，冷却水为未除氧工业水，在高温的情况下垢下很容易产生溶解氧的积聚，产生垢下腐蚀。

电化学测量结果显示：10#钢换热管在冷却水介质中随温度的升高，腐蚀加重，腐蚀速率升高。测试结果显示最大腐蚀速率为年腐蚀深度接近1 mm，这是测量的均匀腐蚀，如局部点蚀，其腐蚀速率将更大。

工业水介质中加入高温缓蚀剂后10#钢换热管耐蚀性增强，腐蚀速率降低，缓蚀效率达97%。

从TP304和TP316不锈钢在900C工业水介质中电化学试验可以看出，TP316不锈钢耐蚀性好于TP304不锈钢。与10#钢相比，TP316不锈钢腐蚀速率下降了2个多数量级。

5 结论及建议

10#钢换热管腐蚀穿孔的主要原因是其在高温段某一区间，如表面温度80℃左右区域，在没有除氧的水中腐蚀速率较高；另工业水中存在钙元素，在高温段易在表面结垢，产生垢下局部相对封闭的阳极区间，加大点蚀倾向，因此造成换热管在较短时间内腐蚀穿孔泄露。

为了防止换热管腐蚀穿孔泄露，可在工业水介质中添加高温阻垢缓蚀剂，以阻止换热管外表面结垢引起垢下腐蚀；建议换热管采用耐腐蚀性能更好的材料，采用TP316不锈钢。

[1]GB/T16545－1996，金属和合金的腐蚀,腐蚀试样上腐蚀产物的清除[S]．

[2]魏宝明．金属腐蚀理论及应用[M]．化学工业出版社，2004．

[3]马崇，陈韶瑜．热网加热器换热管泄露原因分析及处理[J]．热力发电，2012，(10)．