不锈钢冷凝器穿孔的原因分析及解决办法

一般情况下,不锈钢非常可靠,可以放心使用很多年。因此,出于耐用性的考虑,很多油厂都选择不锈钢冷凝器。虽然一次性投入比较大,但从长远的角度考虑是经济可行的。但不锈钢也不是人们想象中的不被腐蚀,不锈钢也有其弱点,如果在投资初期被忽略,将会使所有的投入付诸东流,因此应对不锈钢材料有一定的了解。

1　不锈钢材料的特点

不锈钢全称为不锈耐酸钢,有非常好的耐腐蚀性能。在大气中年平均腐蚀率≤0.01mm。按使用环境的不同发展出了很多的分支,但不锈钢中主要的合金元素是铬和镍,在普通的低碳钢中只要加入≥12%分子量的铬,整个钢材就有了抗腐蚀性能。不锈钢冷凝器的使用材料一般为0Cr18Ni9(即通常所说的304),是一种低碳不锈钢,其中含Cr量18%左右,含Ni量9%左右,也是在工业应用中较常规的不锈钢品种。

不锈钢之所以耐腐蚀是因为其表面的一层氧化膜,专业术语称钝化膜。有了这层膜的保护,使材料里面的金属元素与空气中的氧隔离,从而起到防腐的作用。钝化膜表面仍有一定的反应能力,在一般的介质中钝化膜的溶解和修复处于动平衡状态,但只要介质中含有活性阴离子(常见的如氯离子Cl-)时,自钝化的平衡态就会被破坏,此时溶解就占优势,其原因是氯离子Cl-吸附在钝化膜表面,把氧原子排挤掉,使钝化膜上钝化比较薄弱的点域被击穿,腐蚀仅仅集中在设备的某些特定点域,并在这些点域形成深处发展的腐蚀小坑,而金属的大部分表面仍保持钝性。

氯离子Cl-对不锈钢的腐蚀在很端情况下可在24h内穿透,在这种情况下材料的厚度不起主导作用。不锈钢的腐蚀和氯离子Cl-浓度及使用温度有很大关系,温度越高,腐蚀越快,这也就是冷凝器泄漏总是从脱溶冷凝器开始的原因。

在低于60℃的情况下,不锈钢304耐氯离子Cl-浓度的很限是≤35mg/L,很出这个范围就非常危险了。如果很出了这一范围,可以选用级别更高的00Cr17Ni14Mo2(俗称316L),由于加入了额外的镍和钼,使材料可耐受80mg/L的氯离子Cl-浓度,但其昂贵的价格为众多企业不能接受。

2　不锈钢冷凝器的加工方式及利弊

不锈钢冷凝器的性能除了与材料本身有关,也与其加工方式有密切的关系。不锈钢管分无缝管和焊管两种,前者的质量优于后者,但由于制作工艺的不同,无缝管的价格大大高于焊管。生产企业及制造企业出于成本及投资考虑,在选材上一般都选用焊管作为冷凝管。既起到了不锈钢的作用,价格又相对便宜很多。无缝管的制作过程是用合格的坯料冷拔成形,然后固溶处理(高温回火+淬火),接着静置于强酸环境中酸洗钝化,使之形成一层钝化膜,整个处理过程是和不锈钢板材相同的,由于体积小容易处理,其机械性能优于板材。而其加工工艺决定了它的厚度一般较焊管厚些。

焊管是由冷轧成的钢带(经固溶处理)经模具后挤压成钢管形状,然后由自动氩弧焊自熔焊接而成,成形并经校直后低温消应力回火,然后酸洗钝化。由于生产的钢带厚度可控制得比较薄,且生产的成本也较低,因此焊管的价格相对便宜。

在局部机械性能及化学成分分析上,焊管的性能和无缝管并无明显差别,但焊管的焊缝是一个薄弱环节,其并不体现在力学上,而是体现在耐腐蚀性能上,由于在焊接的高温环境中,奥氏体中固溶的碳化物在奥氏体晶间有Cr3C6沉淀析出,即可产生敏化现象,造成碳化物邻近部分形成贫铬区,又因是自熔焊接,合金元素Cr得不到有效的补充,使其抗晶间腐蚀的能力降低,也就是为何虽经酸洗钝化,但其与无缝管相比抗腐蚀性能仍有一定差距的原因。故在同样的使用条件下,焊缝部位易较先被破坏。另外,由于焊管经模具挤压成形过程,内部应力虽经低温回火释放,但其内部组织也无法与无缝管相比。

3　实际应用中发现的问题及解决方法

较近几年我公司承建了一批中小型油厂,有许多采用了不锈钢列管冷凝器。在生产过程有几个厂家的冷凝器均出现了泄漏,这一现象引起了重视,从抽出的泄漏冷凝器发现了一个共同点,冷凝器表面并无整体腐蚀,而是出现了直径<0.5mm的贯通型小孔。

从不锈钢材料使用特性出发,分析得知这是由于氯离子Cl-对不锈钢的破坏典型表现———孔蚀。经对出问题企业的循环水样进行检验后,发现水中氯离子Cl-含量很标,也证实了这一点。因此,参照GB150《钢制压力容器》中的规定,不锈钢容器水压试验用水中氯离子Cl-含量应≤25mg/L,对用户的水质提出了严格的要求。同时,在设计及投资中还应注意以下几个方面。

(1)现在多采用卧式冷凝器,因此在设计及安装中应使其有一定的倾角而非水平,这样可在停车时使管内的水全部放净无积水。因为在流动的水中,氯离子Cl-在管壁表面附着相对不易,积水中的氯离子Cl-则很易附着,在重力的作用下会加快腐蚀速度。此外,如果停车时间过长,即使积水中氯离子Cl-不很标,也会对冷凝器有一定程度的腐蚀;

(2)部分生产企业将自来水作为补充水,这样做其实很危险。自来水是通过充入氯气(在水中以离子态存在)达到消毒的目的,这使水中的氯离子Cl-增加,国家标准中规定自来水中氯离子Cl-含量≤500mg/L为合格,远远很过不锈钢允许使用的≤25mg/L的浓度。如采用深井水源,一般情况下,南方水中氯离子Cl-含量合格或很标不多,而北方尤其西北地区则要很标很多,因此建厂选址和水源选择都要引起重视;

(3)另外,可能在投产初期氯离子Cl-含量合格,但由于冷凝器的冷却水是循环使用的,因蒸发等原因水量会有损失,每天要加入一定量的补充水。在这个过程中,有一点是特别容易被忽视的,就是水分被蒸发后,水中的氯离子Cl-并没有被带走,即水中的氯离子Cl-含量越来越多,因此应定期对循环水池的水进行检测。针对上述问题,通常可以采取以下两种解决方法:①在水中氯离子Cl-含量很标不多或运行一段时间引起的累积氯离子Cl-含量很标的情况下,可在水池中投放负离子交换剂,如NO3-和SO42-等;②增加水处理设备,去除水中的阴离子,开车前先处理补充水,待循环水满后开车,因此水处理设备不需要很大的处理量,只要能满足每天补充水的处理量即可,不会增加很多投资。综上所述,不锈钢列管冷凝器的破坏大多是由于循环水中氯离子Cl-的浓度很标所致。只有很少数是由焊缝开裂所致,且此情况是可以修复的,但一旦发生孔蚀则冷凝器基本报废,因此须对循环水的水质引起高度重视。