换热器管子与管板焊缝的腐蚀与防护技术

王宏伟

（中国石油大庆炼化公司检维修中心，黑龙江大庆 163400）

0 引言

换热器的管板与管子之间采用焊接方式连接，受焊接工艺、材料成分、运行环境、使用年限等诸多因素的影响，管子与管板的焊缝处容易出现腐蚀情况。这种情况下换热器继续运行就会发生介质泄漏事故，不仅影响换热器的运行工况，而且还会带来一定的安全隐患。因此，无论是从延长设备寿命、提升企业经济效益角度还是从安全生产角度，都必须定期做好管子与管板焊缝的检修工作，并采取相应的腐蚀防护措施。

1 换热器管子与管板焊缝腐蚀的影响因素

1.1 几何因素

焊缝尺寸是决定管子与管板焊缝腐蚀的重要因素，当焊缝缝隙宽度达到一定值时，侵蚀性离子会进入缝隙，进而发生腐蚀现象，腐蚀速率会随着缝隙宽度的增加而出现下降的趋势（图1）。

图1 焊缝腐蚀与焊缝宽度的关系曲线

以2Cr13 不锈钢为例，缝隙宽度与总腐蚀率之间为简单的线性关系，缝隙宽度为0.05 mm 时发生腐蚀现象，当缝隙宽度达到0.25 mm 后腐蚀速率趋于稳定；腐蚀深度与缝隙宽度之间的关系较复杂，缝隙宽度≤0.13 mm 时，腐蚀深度随着其增加而逐渐加深，在0.13 mm 时达到最大腐蚀深度（为92.2 μm），当缝隙宽度大于0.13 mm 之后，腐蚀深度随着宽度的增加而下降，在缝隙宽度达到0.25 mm 时腐蚀现象只发生在管板表层。由此可知，管子与管板焊缝的缝隙开口尺寸越大越不易出现腐蚀反应。

1.2 环境因素影响焊缝腐蚀的环境因子有溶解氧浓度、温度、pH 值等。

（1）换热器内部电解质溶液中溶解氧的含量越高，管子与管板焊缝处发生腐蚀的概率越大。

（2）温度对焊缝腐蚀的影响比较复杂，一方面随着温度的升高，电化学反应速率加快、金属溶解加快，会加剧焊缝的腐蚀情况；另一方面，温度升高还会导致介质溶液中溶解氧析出，而溶解氧浓度的降低又会使电化学反应的阴极反应速率下降，抑制腐蚀速度。

（3）介质溶液为弱酸性或弱碱性，腐蚀速率较快，但pH 值过大或过小时会导致焊缝表面出现临界钝化现象，形成一层致密的钝化膜，保护管子与管板金属材料免受腐蚀。

除了上述3 项环境因素，如介质溶液的流动速度、氯离子的含量、二氧化碳分压等也会影响焊缝腐蚀情况。在采取金属防护措施时，应对这些环境影响因素采取针对性的保护措施。

1.3 材料因素

管子与管板材料的不同，焊缝的腐蚀速率也会出现明显差异，不锈钢材料中Cr、Mo、Ni、Cu 等金属元素的含量不同，其抗腐蚀能力也会发生相应改变（表1）。从常见的不锈钢焊缝腐蚀试验可知，材料中Cr 的含量从16.4%增加到24.8%时，焊缝腐蚀出现的概率从12.5%下降到2.3%，最大腐蚀深度从0.37 mm 下降到0.04 mm；Ni 的掺量对不锈钢焊缝的抗腐蚀性能有副作用，当Ni的掺量从0.04%增加至10.5%时，焊缝腐蚀出现概率从2.3%升高到10.5%，最大腐蚀深度则从0.04 mm 增加到0.37 mm。

表1 5 种常用不锈钢的焊缝腐蚀试验结果

2 换热器管子与管板焊缝的防腐技术

2.1 牺牲阳极保护法

从焊缝腐蚀的发生机理来看，电化学腐蚀为主要形式。相比于外加电流的阴极保护，牺牲阳极保护有经济性好、适用性广、不需附加电源等优势，更适合换热器管子与管板焊缝防腐，因此本文选择牺牲阳极保护法对管子与管板焊缝的防腐效果展开分析。在实际应用中，阳极材料会影响保护效果，目前常用的牺牲阳极材料有锌合金、铝合金、镁合金等。从应用效果来看，铝合金作为牺牲阳极材料时具有电流效率高、消耗速度慢等特点，可作为优先选择。

2.2 防腐机理

以铝合金材料的管程分程隔板作为牺牲阳极，利用管程分程隔板与固定管板之间的液体作为连通介质，构成电通路。为消除外界影响，在换热管的外侧与固定管板的连接处均设有绝缘套。分程隔板作为阳极材料，在电化学反应中金属原子会转化为金属离子，并通过液体介质从阳极移动到阴极，从而避免管子与管板之间发生腐蚀。同时，被保护的换热器管板表面电位必须维持在特定范围内才能发挥保护效果，如果电位过正则出现欠保护，而电位过负则会出现过保护。假设液体介质具有均匀一致性，并且换热器运行过程中循环冷却水的电导率σ 维持恒定（即σ 为常数），则电化学场为稳态场。此时管板发生电化学腐蚀的电位（ΔU）分布基本方程可表示为：

在循环水电解质区域内，使实际电位等于ΔU，可以保证电化学腐蚀过程中牺牲阳极材料而保护换热器管板，达到减缓甚至避免腐蚀的效果。

2.3 牺牲阳极材料的选择

在换热器管子与管板焊缝的防腐处理中，选择合适的金属或合金作为牺牲阳极材料，不仅能够减缓材料的消耗速度，延长防腐保护周期，而且还能进一步提升对焊缝的保护效果。结合管子与管板焊缝的特点，在选择牺牲阳极材料时应满足以下5 项条件：

（1）化学性质要比换热器管子、管板材料更为活泼。例如，管子、管板的材料为铁，则牺牲阳极材料必须选择比铁更活泼的铝（合金）、锌（合金）。

（2）牺牲阳极材料必须有足够负的电位，能够提供大量的电子，使被保护的焊缝金属发生阴极极化现象，从而达到防腐的目的。但电位又不能负太多，否则容易在阴极区出现析氢反应。总体上，牺牲阳极的负电位在-0.5～-1.5 V 比较合理。

（3）阳极的极化率小，保证输出电流稳定，保证防腐效果的稳定性。

（4）电流效率高。电流效率越高的情况下，由牺牲阳极材料产生的自腐蚀电流较小，从而在达到阴极保护效果的前提下，减缓阳极材料的消耗，延长防腐保护时限。

（5）易于溶解，并且溶解均匀。牺牲阳极材料被腐蚀后，腐蚀产物必须容易脱落，不会粘附在阳极表面形成高电阻物质，保证剩余的牺牲阳极材料顺利被腐蚀。

综合来看，满足上述5 项条件的牺牲阳极材料有锌合金、铝合金等。

2.4 数值模拟计算

2.4.1 几何建模与网格划分

某炼油厂的一台管壳式换热器，固定管板的直径为500 mm，管板厚36 mm，换热孔径24 mm。根据上述参数使用Comsol 软件构建换热器的三维仿真模型，并以x、y、z 电位进行网格划分，得到图2 所示的模型。

图2 管板立体模型

在Comsol 软件中，用户不仅可以灵活定义管板三维模型的材料属性、边界条件，还可以从软件的函数库中调用任意变量的函数，从而使仿真模型模拟设备的真实运行环境，提高仿真测试结果的可信度。另外，根据测量数据，循环冷却水的电导率为0.5 S/m，所用的铝合金牺牲阳极材料电位为1.12 V，测得极限扩散电流密度为0.48 A/cm2。

2.4.2 计算结果

利用Comsol 软件计算换热器管子与管板焊缝处的电位分布云图，如图3 所示。

图3 管子与管板焊缝处电位分布

结合图3 可知，在换热器管板上附加牺牲阳极的区域电位相对较低，而距离阳极越远的区域，电位值相应增加。其中，管板与管子的焊缝处距离牺牲阳极的距离最远，因此该狭长区域的电位最高，维持在-0.9～-1.0 V。以管板中心作为原点，建立三维坐标系，取x 轴上［-0.25，0.25］、y 轴上［-0.03，0.03］，测量其电位均小于-0.8 V，电位明显偏低，说明在该范围内管板发生了牺牲阳极的保护，达到了防腐保护效果。

3 结语

在换热器的各类故障中，腐蚀引起的故障占到80%以上，因此设备的日常检修中做好腐蚀监测与防腐保护尤为关键。其中，管子与管板焊缝处的腐蚀以电化学腐蚀为主，相应的可以采取外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护措施。牺牲阳极材料保护具有操作简便、成本低廉等特点，适用于换热器的管子与管板焊缝的防腐。从仿真试验来看，焊缝处出现电位下降的情况，抑制了电化学反应，延缓了腐蚀速度。未来应将该防护技术应用于实践，以延长换热器的使用寿命，维护企业的经济效益。