制鹽行業熱交換類設備管板縫隙腐蝕淺析與對策

供稿|雷曉軍，李曉鵬，廖衛東，羅曉梅/LEI Xiao-jun，LI Xiao-peng，LIAO Wei-dong，LUO Xiao-mei

內容導讀

2015年對某鹽礦60萬t/年真空制鹽項目生產線停車檢修過程中發現一臺預熱器發生腐蝕。通過對設備腐蝕情況的分析探討，對預熱器進行了維修。近期再次檢修時發現2015年返修設備依舊能正常使用，這說明當初對設備腐蝕機理的分析是正確的，所制定的返修方案是可行的。對于制鹽行業換熱器類設備，殼程介質為蒸汽時，同一條生產線上的換熱器管板設計選材建議采用S31603+TA10復合板或TA10管板；管程工作介質為鹵水且殼程為熱蒸汽時，同一條生產線上的換熱器管箱材質建議采用TA10；制造過程或返修更換換熱管時推薦采用先脹后焊的工藝；管箱管板連接用非金屬墊推薦采用填充改性聚四氟乙烯(RPTFE)墊片，金屬墊片推薦采用纏繞墊、齒型墊或金屬環形墊。如果管板基層沒有腐蝕至發生泄漏，換熱管角焊縫泄漏點少，不影響換熱效率時，可以考慮采用在原管板端面新增建一個新的耐腐蝕密封面，繞開原來發生腐蝕的密封面，既可以延長設備使用壽命，又可以降低設備檢修成本和檢修時間。

2015年某鹽礦60萬t/年真空制鹽項目生產線在停車檢修過程中對發生腐蝕的預熱器情況進行分析探討并進行維修。近期再次檢修時發現2015年返修設備可以正常使用，這說明對設備腐蝕機理的分析是正確的，制定的返修方案是可行的，對同類設備的設計制造與維護檢修具有重要的借鑒意義。

設備情況分析

真空制鹽母液回收工藝中預熱器參數、零部件材質及規格見表1和表2[1]。

表1 預熱器主要設計參數

表2 預熱器主要零部件材質及規格

管板Q345R材料化學成分符合標準值要求，見表3[2-3]。

表3 30 mm厚管板Q345R化學成分(質量分數，%)

管板Q345R材料力學性能符合標準值要求，見表4[2-3]。

表4 30 mm厚管板Q345R力學性能

腐蝕原因分析與討論

縫隙存在于金屬與金屬、金屬與非金屬的結合處，既有寬到液體能夠流入，又有窄到能夠維持液體流入后靜滯的區域，可以在很多介質中作為腐蝕發生的場所，其中以氯化物溶液最甚[4]。

工藝分析

熱電廠0.6 MPa蒸汽經各支管進入首效加熱室，料液沸騰后產生的二次蒸汽分別作下一效的加熱蒸汽。

結合表1和表5數據可知設備運行時殼程、管程內部溫度在100 ℃以上。

表5 常用的飽和蒸汽壓力、溫度對應值

管程分析

預熱器管程主要工作介質鹵水中Cl?含量較高，設備管程工作溫度高。檢修現場設備如圖1所示。從圖1(a)可以看出，預熱器上管板與管箱焊環接觸部位周圈腐蝕，其中部分位置已見鋼，預熱器下管板密封面未發生腐蝕(圖1(b))，同時預熱器上管板管板、隔板槽位置嚴重腐蝕，如圖1(c)和圖1(d)所示。上管板腐蝕嚴重，下管板基本完好，表明腐蝕的發生并非因為管板鈦層材料物理化學性能不佳或使用過程中劣化所致。

圖1 預熱器不同部位腐蝕情況：(a)上管板管箱焊環接觸部位；(b)下管板表面；(c)管板密封面；(d)上管板隔板槽

仔細觀察發現，腐蝕最嚴重的區域為管箱與管板密封面接觸區域。由于墊片的存在，管板密封面并不直接與管箱接觸，由此可知腐蝕發生在管板與墊片或管箱與墊片之間的狹小空間中。設備在工廠制作完畢，為節約成本，水壓實驗采用石棉墊片替代設備墊片，設備檢驗合格后直接交付客戶使用?？蛻粼谑盏皆O備后，為了節約時間，試車時并沒有更換隨設備發過來的設備墊片。設備試車成功后直接投產時又忘記更換主墊片，從而導致開車一年原設備上不銹鋼管箱腐蝕嚴重無法使用，最后被迫將管箱更換為TA10材質。余存燁等[5]在6%NaCl溶液，pH為6，溫度70~90 ℃，720 h后縫隙腐蝕誘發性順序為Ti ＜氯丁橡膠＜石棉＜氟樹脂，驗證了墊片材質對設備防腐蝕性能的巨大影響。

預熱器的管板材質為TA3，腐蝕最為嚴重。設備在生產現場檢修時剛打開設備觀察到管板表面呈天藍色，然而將設備從生產車間拆卸下來后發現表面腐蝕物已變為黃白色，如圖2所示。

圖2 預熱器管箱密封面：(a)剛打開時；(b)放置一段時間后

根據粟屋裕等[6]在研究沸騰氯化銨氯化鈉溶液中鈦縫隙腐蝕后認為由于Cl?與OH?在鈦表面吸附會形成[ Ti(OH)xCly(H2O)p]q+重絡合物離子，離解成Ti2O3與水，再由Ti2O3氧化成TiO2，反應過程為：

據此推斷預熱器管板端面的腐蝕物為TiO2，而腐蝕主要發生在密封面與墊片之間的狹小空間內。針對鈦材的腐蝕查詢相關資料，如表6數據所示，可以看出純鈦的耐腐蝕性最低，鈦鈀類合金的耐腐蝕性最好[7]。

表6 TA10合金與其它合金在含氧介質中的耐蝕性能比較

根據實際使用情況，TA3材料已不能滿足該工況下使用。而更換材質為TA10后管箱基本沒有發生腐蝕，說明TA10合金可以滿足該工況下的使用要求。

殼程分析

從與設備連接的殼程管道可見白色鹽結晶說明管程鹵水已泄露至殼程如圖3所示。

圖3 殼程管道圖片：(a)內部；(b)連接管路

由于殼程并未發生肉眼可見的泄漏，作者推測這種現象是由于鹵水溶液長期積存在這些部位引發縫隙腐蝕后日積月累形成的。因為縫隙腐蝕通常發生在微米級的間隙中，當腐蝕液進入這些不易進入的部位時，機械強度會降到允許極限以下，保護涂層從金屬表面脫落，破壞工程結構中機械連接的整體，導致設備遭到破壞，影響正常的工作和生產秩序[8]。

此外，也有可能是墊片密封不嚴導致的物料泄漏，從而對管程產生反向腐蝕，進而引發管程腐蝕大面積發生。

改進措施

返修方案

擬定預熱器返修方案：

(1)去除腐蝕管板表面所有缺陷，如圖4所示。

圖4 缺陷去除示意圖

(2)對腐蝕嚴重的隔板槽和管板密封面，在露鋼部位采用類似復合板接頭結構，采用TA10合金墊板將基層墊平[9]。

(3)在原來管板密封面及隔板槽位置新作TA9合金焊環及隔板槽。

(4)將新做焊環及隔板槽通過TA10墊板，過渡連接和原管板鈦層焊接為一個整體，如圖5所示。

圖5 新焊環隔板槽示意圖

(5)在新作TA9焊環端面重新加工密封面與新作TA10管箱適配，確保密封性能完好。

(6)在新作TA9隔板槽端面加工隔板槽與新作TA10管箱適配，確保密封性能完好。

(7)管箱墊片采用鈦鈀合金類墊片。

返修流程

針對擬定的返修方案，設定返修流程：

(1)腐蝕管板前期處理。

①標示并劃定缺陷區域。

②鏜腐蝕管板區域，并砂輪拋光復層表面微腐蝕污染影響區域，如圖6所示。

圖6 重新機加過的管板端面

③鉆沉頭螺孔。

(2)新增TA9焊環。

①弧段實配下料。

②依原管板端面配作拼焊成環。

③并配鉆沉孔，如圖7所示。

圖7 新增TA9焊環

(3)設備檢修。

①打磨管板腐蝕區域，如圖8所示。

圖8 去除缺陷后的管板隔板槽：(a)左側；(b)右側

②用TA2沉頭螺釘把接焊環與管板基層貼實。

③焊環沉釘處塞焊、焊環與管板復層焊接。

④在管箱隔板位置增加與焊環厚度相同的TA9鈦板條，確保隔板與隔板槽貼合，如圖9所示。

圖9 新制隔板槽的管板面

⑤焊縫處進行PT檢驗。

⑥TA9焊環端面進行鏜加工見平，如圖10所示。

圖10 機加工完成的管板端面

2015年預熱器檢修完畢水壓實驗合格后即交付客戶使用。近期客戶對生產線停車檢修后發現2015年返修的預熱器依舊能正常使用。

結束語

⑴制鹽行業換熱器類設備，殼程介質為蒸汽時，同一條生產線上的換熱器管板設計選材建議采用S31603+TA10復合板或TA10管板。

⑵制鹽行業換熱器類設備，管程工作介質為鹵水且殼程為熱蒸汽時，同一條生產線上的換熱器管箱材質建議采用TA10。

⑶制鹽行業換熱器類設備，制造過程或返修更換換熱管時推薦采用先脹后焊的工藝。

⑷制鹽行業換熱器類設備，管箱管板連接用非金屬墊推薦采用填充改性聚四氟乙烯(RPTFE)墊片。金屬墊片推薦采用纏繞墊、齒型墊或金屬環形墊。

⑸對于發生類似腐蝕或泄露的熱交換類設備，如果管板基層沒有腐蝕至發生泄漏，換熱管角焊縫泄漏點少，不影響換熱效率時，可以考慮采用在原管板端面新增建一個新的耐腐蝕密封面，繞開原來發生腐蝕的密封面，既可以延長設備使用壽命，又可以降低設備檢修成本和檢修時間。