炼油厂水相换热器碳钢材料的腐蚀与防护措施

刘 强

（中国石油大庆炼化公司检维修中心，黑龙江大庆 163400）

0 引言

换热器是石油化工行业的重要设备，其运行工况对整套炼油装置的运行效益有直接影响。水相换热器的工作介质为成分复杂的水溶液，其中含有浓度不等的硫化物氯化物、无机盐等，这些成分长时间与金属材料接触会引起腐蚀问题。根据腐蚀形态的不同，又可以分为点蚀、均匀腐蚀、应力腐蚀等。由于换热器是在高温、高压环境下运行的，出现严重腐蚀的区域可能会突然破裂，导致设备损坏、停运。因此，做好水相换热器的日常维护，采取必要的防腐保护措施，对延长设备使用寿命、维护炼油厂的经营效益都有积极帮助。

1 水相换热器碳钢材料的腐蚀分析

1.1 实验材料

本次实验从炼油厂收集了4 种水溶液，分别是电脱盐切水、脱硫净化水、循环水和碱液。另外选择与水相换热器组成材料相同的10#碳钢作为实验材料。实验所用仪器包括恒温水浴锅、电子天平等，10#碳钢的化学成分见表1。

表1 10#碳钢的化学成分 wt%

在使用碳钢材料制作成24 mm×15 mm×2.0 mm 的试片，并在试片上打出一个直径为2 mm 的小孔，用于悬挂、固定。

1.2 实验方法

（1）使用砂纸打磨准备好的碳钢试片，使其表面光亮，然后用干净纱布擦拭表面杂质。

（2）取干净棉签蘸取少量丙酮擦拭碳钢试片，去除表面的油垢，然后用去离子水清洗，用风机吹干后将碳钢试片放置于电子天平上称量重量m1。

（3）将碳钢试片保存到干燥器中，以备使用。

（4）将4 块碳钢试片分别置于4 种不同溶液中。

（5）浸泡7 d 后将碳钢试片取出，置于配制好的清洗液（1.2 g/cm3的盐酸、三氧化二锑16 g、氯化亚锡30 g）中。

（6）使用一根玻璃棒不断搅拌，直到观察到碳钢试片表面不再有腐蚀物，之后用镊子将清洗后的碳钢试片取出。

（7）放入饱和碳酸钠溶液中继续浸泡约5 min，中和表面残留的酸性清洗液。

（8）最后放到蒸馏水中清洗，并吹干称量重量m2。

m1-m2即为失重，根据失重求得腐蚀速率。每种试验进行两次，以平均值作为最终结果，挂片失重统计结果如表2 所示。

表2 挂片失重结果

1.3 结果分析

实验过程中发现，经过7 d 的浸泡后，置于脱硫净化水和电脱盐切水中的10#碳钢试片，表面附着大量红色产物。将试片取出刮去红色附着物后，可以发现底部有一层致密的黑色物质。循环水中试片表面也有红色物质，但是厚度较薄；碱液中10#碳钢试片仍然光亮，仅有少量斑点。

结合表2 数据可知，10#碳钢试片在脱硫净化水和电脱盐切水中的腐蚀速率较快，分别达到1.2 mm/a 和1.3 mm/a，属于我国金属耐腐蚀十级标准中的第八级（欠耐蚀）。根据该实验可知，以碳钢为主要材料的水相换热器，在长时间接触腐蚀介质后会出现比较严重的均匀减薄现象。

2 涂层与牺牲阳极联合保护实验

由于水相换热器的腐蚀介质成分复杂，加上高温运行环境会加快腐蚀进程，因此采取单一的防腐蚀措施往往难以达到理想的效果。联合保护是同时选用两种及以上的防腐措施，进一步提高对碳钢材料的保护能力，从而达到减缓腐蚀速率、延长设备使用寿命的目的。本文以“涂层+牺牲阳极”联合保护方法为例，开展腐蚀实验并验证该方法对10#碳钢的保护效果。

2.1 实验材料

本次实验所用材料包括4 种不同类型的牺牲阳极，分别是Al—Zn—Mg—Ti 型、Al—Zn—In—Cd 型、Zn—Al—Cd 型 和Mg—Zn—Al 型。涂料选择TH-847 防腐涂料，以环氧树脂为基料，同时按照特定比例加入防锈、防腐材料以及各种导热颜料、填料，具有耐温、耐水、防锈、抗渗等良好性能。所用仪器包括DJS-292A 恒电位仪、FT168 多用表等。

2.2 实验方法

使用10#碳钢制作工作电机。用饱和甘汞电极作为参比电极，将碳钢试片置于腐蚀介质中浸泡7 d，分别在0 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h 和168 h，用多用表测量1 次开路电位。

2.3 结果分析

2.3.1 开路电位测量结果

开路电位测量结果能够为阳极保护电位的设定提供一个参考。在电化学防腐中，要求牺牲阳极保护电位必须低于开路电位，才能正常发挥保护效果。本次实验中，在4 种介质中的开路电位测量结果如图1 所示。

图1 10#碳钢在腐蚀介质中开路电位随时间变化曲线

根据图1 可知，10#碳钢试片一开始的电位较正，但是在介质中浸泡1 h 后电位出现明显的下降，之后电位趋于稳定，但是仍然有不同程度的波动；浸泡于脱硫净化水、电脱盐切水中的碳钢试片，电位稳定分别在-7.33 V、-7.14 V 左右；浸泡于循环水和碱液中的碳钢试片，电位分别稳定在-6.38 V 和-5.09 V。

2.3.2 牺牲阳极的选型

在联合保护中，牺牲阳极的选型对保护效果也有直接影响。本次实验中共选择了4 种类型的阳极材料，分别测量其电化学性能（表3）。

由表3 可知，本次实验所选的4 种牺牲阳极中，Al—Zn—Mg—Ti 和Al—Zn—In—Cd 都可以满足电位要求。其中，Zn—Al—Cd 在脱硫净化水中的电位，与10#碳钢在该介质中的腐蚀电位（-7.33 V）较为接近；而Mg—Zn—Al 的点位过负，最高电位达到了-1.64 V，这种情况下碳钢材料容易出现氢化反应，因此不宜选择此材料作为牺牲阳极。另外，Al—Zn—In—Cd 的电流效率相对较低，并且在高温环境下其化学性质更加活泼，牺牲阳极的消耗速度会加快。综合来看，选择Al—Zn—Mg—Ti 作为牺牲阳极，既可以满足保护电位的要求又不至于消耗过快，综合性能表现更好。

表3 不同类型牺牲阳极在不同介质中的电化学性能

2.3.3 涂料的性能

联合保护中所用的涂层材料为TH-847，其以环氧树脂作为基料，由于环氧树脂分子中包含了较多的活性基团，因此在涂刷涂料后可以保证牢牢粘附在碳钢材料的表面，不容易发生脱落。同时，涂料中还加入了防沉淀剂、导热颜料等多种成分，可以使涂料在高温环境下保持较强的化学稳定性。本次实验中测量了该涂料在4 种介质下浸泡7 d 的极化曲线（图2）。

图2 涂层电极在换热器腐蚀介质中浸泡7 d 后的极化曲线

结合上图可知，涂有TH-847 的10#碳钢试片，在4 种介质下浸泡7 d 后的电极腐蚀速度数量级均在10-7A/cm3。而未采取保护措施的10#碳钢，在4 种介质中的腐蚀速度数量级为10-5A/cm3。因此，该涂层能对10#碳钢起到很好的保护作用。

2.3.4 联合保护工艺计算

牺牲阳极的寿命计算公式为：

其中，T、m 表示牺牲阳极的有效保护年限和净重量；Q 表示阳极的最大电容量，Im表示阳极平均电流；t 表示年小时数，本文取值为8760 h。将各数值带入上式后求得T=3.6，即牺牲阳极的寿命为3.6 年，可以满足工程设计要求。

3 结语

水相换热器的碳钢构件受到介质腐蚀影响后会严重影响设备运行工况。本文提出了一种将牺牲阳极保护与涂层保护相结合的联合防腐措施。从实验效果来看，被保护的10#碳钢试片电位明显降低，电流减小，牺牲阳极的预计使用寿命可以达到3.6年，取得了较为理想的防腐保护效果，具有推广应用价值。