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循環(huán)水中氯離子含量對板式換熱器材料選擇的影響
發(fā)布日期：2017-10-19 23:31:10 文章來源： 板式換熱器廠家 點(diǎn)擊數(shù)：【4659】
循環(huán)水中氯離子含量對板式換熱器材料選擇的影響
在石油化工裝置設(shè)計(jì)過程中，對設(shè)備材料的選擇經(jīng)常要考慮各種不同的因素，其中腐蝕是要考慮的因素之一，尤其是考慮裝置長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證設(shè)備內(nèi)漏，選擇合適的抗腐蝕設(shè)備材料更為重要。筆者在此就板式換熱器可能的腐蝕性進(jìn)行分析和對以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的板式換熱器由于循環(huán)冷卻水氯離子含量對材料選擇的影響進(jìn)行探討。
我們知道，板式換熱器以傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便、占地面積小、適用范圍廣等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。板式換熱器由兩片側(cè)壓板、多片內(nèi)板、冷熱介質(zhì)進(jìn)出管口、加緊絲杠組成。對于用于被冷介質(zhì)無腐蝕的板式換熱器，一般兩端的側(cè)壓板和進(jìn)出管口的材質(zhì)為碳鋼，而內(nèi)板片通常采用0．5 0．8 mln厚的不銹鋼、或合金板片壓制。由于水中的氯離子對不銹鋼、合金鋼會產(chǎn)生不同程度的腐蝕，因此用于被冷介質(zhì)無腐蝕的板式換熱器，內(nèi)板片材料的選擇就取決于循環(huán)冷卻水中氯離子含量的多少。當(dāng)然，溫度的高低也是決定氯離子對內(nèi)板片腐蝕程度的主要因素。
1 腐蝕性分析
腐蝕的種類很多，金屬腐蝕的形態(tài)可分為均勻腐蝕和局部腐蝕，前者較均勻的發(fā)生在金屬全部表面，后者只發(fā)生在局部[川。局部腐蝕典型的有：晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕、沖刷腐蝕、腐蝕疲勞、脫層腐蝕。有氯離子存在的循環(huán)冷卻水對板式換熱器主要損害腐蝕是點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕。
點(diǎn)腐蝕也稱為孔腐蝕，是高度局部的腐蝕形態(tài)，在金屬表面腐蝕成坑，更進(jìn)一步形成深孔使金屬板穿透。在板式換熱器內(nèi)，內(nèi)板表面一般會覆蓋保護(hù)性的鈍化膜，腐蝕較輕微，但會由于板面上的缺陷(如：劃痕、撞點(diǎn)、非金屬夾雜物等)致使微小破口暴露的金屬成為電池陽極，周圍擴(kuò)大面積的膜成為陰極，陽極電流高度集中，使腐蝕迅速向內(nèi)發(fā)展⋯1，進(jìn)而產(chǎn)生局部的嚴(yán)重腐蝕點(diǎn)。
應(yīng)力腐蝕是在金屬板存在拉應(yīng)力的情況下且有腐蝕造成金屬板破裂，也稱為應(yīng)力腐蝕破裂。對于板式熱交換器，內(nèi)板壓型時(shí)會產(chǎn)生應(yīng)力，因此，如內(nèi)板采用奧氏體不銹鋼，有氯離子存在的環(huán)境會產(chǎn)生典型的應(yīng)力腐蝕。
縫隙腐蝕是點(diǎn)腐蝕的特殊形式，發(fā)生在縫隙內(nèi)，破壞形態(tài)為溝縫狀，嚴(yán)重者可穿透。對于板式熱交換器，內(nèi)板片四周是采用密封墊由板片相互壓緊來密封的，兩板片之間，一面有密封槽另一面一般為平面，在壓緊以后的墊圈與板片之間會存在縫隙。另外，板片與板片之間交替排列、夾緊，使相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量接觸點(diǎn)，觸點(diǎn)周圍也將形成縫隙�？p隙內(nèi)是缺氧區(qū)，也處于閉塞狀態(tài)，縫內(nèi)pH值下降，氯離子濃度增大，由此加速腐蝕。因此縫隙腐蝕也是奧氏不銹鋼板式換熱器的典型腐蝕。
2 溫度對腐蝕的影響
腐蝕是一種化學(xué)反應(yīng)，每升溫1O℃，腐蝕的速度約增加1—3倍。通常腐蝕率總是隨著溫度升高而加快，溫度升高，擴(kuò)散速度增加，電解液電阻下降，使腐蝕電池的反應(yīng)加快⋯1。當(dāng)然也有例外，當(dāng)升溫可以降低其它因素的作用，腐蝕有可能隨之降低；但該例外對板式換熱器不適用。
3 循環(huán)水中的氯離子來源與含量
循環(huán)水中的氯離子來源于循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水所帶的氯離子和補(bǔ)充水的處理加氯、循環(huán)冷卻水處理加氯。氯離子含量的多少主要取決于循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。對于補(bǔ)充水的處理加氯和循環(huán)冷卻水處理加氯所帶來的氯離子并不是主要的，根據(jù)國標(biāo)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范))GBS0050— 95規(guī)定，補(bǔ)充水加氯處理游離性余氯量需控制在0．1—0．2 mg／L，敞開式循環(huán)冷卻水的加氯處理余氯量控制在0．5—1．0 mg／Ll1 J。主要的還是補(bǔ)充水所帶的氯離子，因此補(bǔ)充水的來源不同，使得循環(huán)冷卻水中所含的氯離子含量不同。
(1)對于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水在循環(huán)水塔冷卻的過程中將會不斷的蒸發(fā)，被蒸發(fā)的水分相當(dāng)于蒸餾水，原部分水中所含的雜質(zhì)、鹽分、氯離子均留在了循環(huán)水中，因而造成鹽分、氯離子濃度增加。按照GB 50050—95規(guī)定。敞開式循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)不應(yīng)小于3．Ol2]，因而在設(shè)計(jì)時(shí)濃縮倍數(shù)往往大于3，通常取4，甚至有取5的。那么，循環(huán)冷卻水中的氯離子含量也就隨濃縮倍數(shù)的增加按補(bǔ)充水中氯離子含量成倍增加。
(2)根據(jù)國標(biāo)《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》CJ3O2O一93和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3838—2OO2，對于氯含量(以氯離子計(jì))的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求為250 mg／L，如以此為標(biāo)準(zhǔn)，再考慮循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)不應(yīng)小于3．0的要求，那么就意味著按國標(biāo)的水質(zhì)補(bǔ)水，循環(huán)冷卻水的氯離子含量最低會達(dá)到750 mg／L。實(shí)際上，補(bǔ)充水水源不論是地表水、地下水，還是自來水，氯離子含量達(dá)到250mg／L并不多，循環(huán)冷卻水的氯離子含量不會達(dá)到750 mg／L。按照GB 50050—95的規(guī)定，對于碳鋼換熱設(shè)備，要求循環(huán)冷卻水氯離子含量≤1 000mg／L，對于不銹鋼換熱設(shè)備，要求循環(huán)冷卻水氯離子含量≤300 mg／LE 。如果水的比重按近似1 000g／L考慮，300mg／L相當(dāng)于3X10I4(300ppm)[wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)]。所以，循環(huán)冷卻水氯離子含量最高可按3 X 10～(3OO ppm． )考慮。
4 循環(huán)冷卻水中氯離子對材料選擇的影響
筆者在工程設(shè)計(jì)中，從板式換熱器制造廠得到不同材料在不同氯離子含量、溫度下的腐蝕界限，經(jīng)整理得如表1的數(shù)據(jù)。
從表1我們可以清楚的看到，循環(huán)冷卻水中的氯離子含量越高對材料不腐蝕適應(yīng)的溫度越低，如果溫度不變，氯離子含量越高對材料不腐蝕所要求的材料材質(zhì)越高。所以，循環(huán)水中氯離子含量的多少和板式熱交換器內(nèi)被冷卻介質(zhì)和循環(huán)冷卻水的溫度高低對選擇板式換熱器內(nèi)板材料非常關(guān)鍵。對照表1，如果以GB50050—95的規(guī)定，循環(huán)冷卻水氯離子含量≤300 mg／L(近似3OO ppm，wt)考慮，不銹鋼換熱設(shè)備不同材料所對應(yīng)的適應(yīng)冷卻水溫度(按不腐蝕界限)，304不銹鋼最高適應(yīng)10℃，316不銹鋼最高適應(yīng)40℃。如以在工程設(shè)計(jì)中循環(huán)水出口溫度按40～42℃ 考慮，則這兩種材料均不可用，需要選擇更高的材料。事實(shí)上，真正使循環(huán)冷卻水氯離子含量達(dá)到300 mg／i的并不多。只有在不能確定循環(huán)冷卻水氯離子含量時(shí)，可按GB50050—95的規(guī)定以300 ppm( )考慮(尤其是新建工廠常常會這樣)。不過以此為依據(jù)選板式換熱器板片材料，可能會造成選材過高而增加設(shè)備投資。因此，最好能確定氯離子含量，如根據(jù)循環(huán)冷卻水實(shí)測或根據(jù)補(bǔ)充水中氯離子含量和循環(huán)水濃縮倍數(shù)來確定。事實(shí)上，當(dāng)循環(huán)水的補(bǔ)充水源氯離子含量、循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)確定時(shí)，相應(yīng)的循環(huán)冷卻水氯離子含量就基本確定了。筆者在從事多年化工設(shè)計(jì)的過程中，除個(gè)別按GB50050—95規(guī)定的外，碰見過循環(huán)冷卻水氯離子含量高的按2．50×10I4(250 ppm， )考慮，低的按9．0×10～(9o ppm， )考慮。
作為板式換熱器板片材料選擇，在此假定循環(huán)冷卻水氯離子含量為1．20×10I4(120 ppm，wt)，不同材料所對應(yīng)的適應(yīng)冷卻水溫度，按不腐蝕考慮，304不銹鋼為25℃，316不銹鋼為62~E，似乎316不銹鋼材料對于循環(huán)水的出口溫度一般為40～42℃來說是可行的。但需注意板式換熱設(shè)備在傳熱過程中金屬板片兩側(cè)各存在一層薄膜，傳熱面與流體本身存在一個(gè)溫差，或者說換熱板片金屬壁溫要高于板式換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水的溫度，換句話說，要考慮換熱板片金屬壁溫，需要考慮被冷介質(zhì)的溫度，如果被冷介質(zhì)溫度較高，經(jīng)計(jì)算換熱器的板片壁溫高于62℃，則316不銹鋼不可選。這時(shí)就需要考慮耐氯離子腐蝕性很好的不銹鋼S31254(或254SMO)了。如果循環(huán)冷卻水氯離子含量更高，或溫度更高，當(dāng)采用$31254(或254SM0)仍不能滿足要求時(shí)，板式換熱器的板片材料就要選用鈦材了。順便提一句，板式熱交換器的內(nèi)板壁溫確定，最好是根據(jù)被冷卻介質(zhì)的溫度和循環(huán)冷卻水的溫度來計(jì)算，如果計(jì)算有困難，可取設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度。不過這樣也會造成選材過高而增加設(shè)備投資。
5 結(jié)語
用于被冷介質(zhì)無腐蝕的板式換熱器，其板片材料的選擇影響因素除了上述的循環(huán)水中氯離子含量多少、水的溫度和被冷卻介質(zhì)的溫度外，還有循環(huán)冷卻水的酸堿度，同樣的氯離子含量，在酸性環(huán)境下腐蝕性增強(qiáng)，反之減弱。如316不銹鋼材料，對于1．20×10I4(120 ppm， )氯離子含量的循環(huán)冷卻水，在pH值為5時(shí)，不腐蝕的合適溫度為：40℃，在pH值為9時(shí)，不腐蝕的合適溫度可以大于130℃ 。因此，板式換熱器的板片材料的選擇要綜合考慮各種因素，以達(dá)到既可保證設(shè)備的長期運(yùn)轉(zhuǎn)，又可不增加設(shè)備投資的目的。
說明：文章出自板式換熱器生產(chǎn)廠家--蘇州安博特?fù)Q熱設(shè)備有限公司，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載，如要轉(zhuǎn)載請注明文章來源。
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