循环冷却水中氯离子对板换材料选择的影响

2008年09月26日08:56 生意社
生意社09月26日讯
循环冷却水中氯离子对板换材料选择的影响
1.黄新平
2.黄春梅
(1．中国寰球工程公司，北京1~029；2．北京化工大学北方学院，河北燕郊065201) 摘要：对板式换热器腐蚀进行了分析，结合不同氯离子含量、不同温度对不同材料的腐蚀界限，对以循环水为冷却介质的板式换热器由于冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行了分析。

关键词：腐蚀；循环冷却水；氯离子；板式换热器；温度
在石油化工装置设计过程中，对设备材料的选择经常要考虑各种不同的因素，其中腐蚀是要考虑的因素之一，尤其是考虑装置长期连续运转，保证设备内漏，选择合适的抗腐蚀设备材料更为重要。

笔者在此就板式换热器可能的腐蚀性进行分析和对以循环水为冷却介质的板式换热器由于循环冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行探讨。

我们知道，板式换热器以传热效率高、结构紧凑、拆卸方便、占地面积小、适用范围广等特点而被广泛应用。

板式换热器由两片侧压板、多片内板、冷热介质进出管口、加紧丝杠组成。

对于用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，一般两端的侧压板和进出管口的材质为碳钢，而内板片通常采用0．5 0．8 mln厚的不锈钢、或合金板片压制。

由于水中的氯离子对不锈钢、合金钢会产生不同程度的腐蚀，因此用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，内板片材料的选择就取决于循环冷却水中氯离子含量的多少。

当然，温度的高低也是决定氯离子对内板片腐蚀程度的主要因素。

1 腐蚀性分析
腐蚀的种类很多，金属腐蚀的形态可分为均匀腐蚀和局部腐蚀，前者较均匀的发生在金属全部表面，后者只发生在局部[川。

局部腐蚀典型的有：晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、电偶腐蚀、冲刷腐蚀、腐蚀疲劳、脱层腐蚀。

有氯离子存在的循环冷却水对板式换热器主要损害腐蚀是点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀。

点腐蚀也称为孔腐蚀，是高度局部的腐蚀形态，在金属表面腐蚀成坑，更进一步形成深孔使金属板穿透。

在板式换热器内，内板表面一般会覆盖保护性的钝化膜，腐蚀较轻微，但会由于板面上的缺陷(如：划痕、撞点、非金属夹杂物等)致使微小破口暴露的金属成为电池阳极，周围扩大面积的膜成为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展⋯1，进而产生局部的严重腐蚀点。

应力腐蚀是在金属板存在拉应力的情况下且有腐蚀造成金属板破裂，也称为应力腐蚀破裂。

对于板式热交换器，内板压型时会产生应力，因此，如内板采用奥氏体不锈钢，有氯离子存在的环境会产生典型的应力腐蚀。

缝隙腐蚀是点腐蚀的特殊形式，发生在缝隙内，破坏形态为沟缝状，严重者可穿透。

对于板式热交换器，内板片四周是采用密封垫由板片相互压紧来密封的，两板片之间，一面有密封槽另一面一般为平面，在压紧以后的垫圈与板片之间会存在缝隙。

另外，板片与板片之间交替排列、夹紧，使相邻板片波纹顶端相互交叉形成大量接触点，触点周围也将形成缝隙。

缝隙内是缺氧区，也处于闭塞状态，缝内pH值下降，氯离子浓度增大，由此加速腐蚀。

因此缝隙腐蚀也是奥氏不锈钢板式换热器的典型腐蚀。

2 温度对腐蚀的影响
腐蚀是一种化学反应，每升温1O℃，腐蚀的速度约增加1—3倍。

通常腐蚀率总是随着温度升高而加快，温度升高，扩散速度增加，电解液电阻下降，使腐蚀电池的反应加快⋯1。

当然也有例外，当升温可以降低其它因素的作用，腐蚀有可能随之降低；但该例外对板式换热器不适用。

3 循环水中的氯离子来源与含量
循环水中的氯离子来源于循环冷却水的补充水所带的氯离子和补充水的处理加氯、循环冷却水处理加氯。

氯离子含量的多少主要取决于循环水的浓缩倍数。

对于补充水的处理加氯和循环冷却水处理加氯所带来的氯离子并不是主要的，根据国标《工业循环冷却水处理设计规
范))GBS0050— 95规定，补充水加氯处理游离性余氯量需控制在0．1—0．2 mg／L，敞开式循环冷却水的加氯处理余氯量控制在0．5—1．0 mg／Ll1 J。

主要的还是补充水所带的氯离子，因此补充水的来源不同，使得循环冷却水中所含的氯离子含量不同。

(1)对于敞开式循环冷却水系统，水在循环水塔冷却的过程中将会不断的蒸发，被蒸发的水分相当于蒸馏水，原部分水中所含的杂质、盐分、氯离子均留在了循环水中，因而造成盐分、氯离子浓度增加。

按照GB 50050—95规定。

敞开式循环冷却水设计浓缩倍数不应小于3．Ol2]，因而在设计时浓缩倍数往往大于3，通常取4，甚至有取5的。

那么，循环冷却水中的氯离子含量也就随浓缩倍数的增加按补充水中氯离子含量成倍增加。

(2)根据国标《生活饮用水水源水质标准》CJ3O2O一93和《地表水环境质量标准》
GB 3838—2OO2，对于氯含量(以氯离子计)的水质标准要求为250 mg／L，如以此为标准，再考虑循环冷却水设计浓缩倍数不应小于3．0的要求，那么就意味着按国标的水质补水，循环冷却水的氯离子含量最低会达到750 mg／L。

实际上，补充水水源不论是地表水、地下水，还是自来水，氯离子含量达到250mg／L并不多，循环冷却水的氯离子含量不会达到750 mg／L。

按照GB 50050—95的规定，对于碳钢换热设备，要求循环冷却水氯离子含量≤1 000mg／L，对于不锈钢换热设备，要求循环冷却水氯离子含量≤300 mg／LE 。

如果水的比重按近似1 000g／L 考虑，300mg／L相当于3X10I4(300ppm)[wt，质量分数]。

所以，循环冷却水氯离子含量最高可按3 X 10～(3OO ppm． )考虑。

4 循环冷却水中氯离子对材料选择的影响
笔者在工程设计中，从板式换热器制造厂得到不同材料在不同氯离子含量、温度下的腐蚀界限，经整理得如表1的数据。

从表1我们可以清楚的看到，循环冷却水中的氯离子含量越高对材料不腐蚀适应的温度越低，如果温度不变，氯离子含量越高对材料不腐蚀所要求的材料材质越高。

所以，循环水中氯离子含
量的多少和板式热交换器内被冷却介质和循环冷却水的温度高低对选择板式换热器内板材料非
常关键。

对照表1，如果以GB50050—95的规定，循环冷却水氯离子含量≤300 mg／L(近似
3OO ppm，wt)考虑，不锈钢换热设备不同材料所对应的适应冷却水温度(按不腐蚀界限)，304
不锈钢最高适应10℃，316不锈钢最高适应40℃。

如以在工程设计中循环水出口温度按40～42℃考虑，则这两种材料均不可用，需要选择更高的材料。

事实上，真正使循环冷却水氯离子含量达到300 mg／i的并不多。

只有在不能确定循环冷却水氯离子含量时，可按GB50050—95的规定以300 ppm( )考虑(尤其是新建工厂常常会这样)。

不过以此为依据选板式换热器板片材料，可能会造成选材过高而增加设备投资。

因此，最好能确定氯离子含量，如根据循环冷却水实测或根据补充水中氯离子含量和循环水浓缩倍数来确定。

事实上，当循环水的补充水源氯离子含量、循环冷却水设计浓缩倍数确定时，相应的循环冷却水氯离子含量就基本确定了。

笔者在从事多年化工设计的过程中，除个别按GB50050—95规定的外，碰见过循环冷却水氯离子含量高的按2．50×10I4(250 ppm， )考虑，低的按9．0×10～(9o ppm， )考虑。

作为板式换热器板片材料选择，在此假定循环冷却水氯离子含量为1．20×10I4(120 ppm，wt)，不同材料所对应的适应冷却水温度，按不腐蚀考虑，304不锈钢为25℃，316不锈钢为62~E，似乎316不锈钢材料对于循环水的出口温度一般为40～42℃来说是可行的。

但需注意板式换热设备在传热过程中金属板片两侧各存在一层薄膜，传热面与流体本身存在一个温差，或者说换热板片金属壁温要高于板式换热器内循环冷却水的温度，换句话说，要考虑换热板片金属壁温，需要考虑被冷介质的温度，如果被冷介质温度较高，经计算换热器的板片壁温高于62℃，则316不锈钢不可选。

这时就需要考虑耐氯离子腐蚀性很好的不锈钢S31254(或254SMO)了。

如果循环冷却水氯离子含量更高，或温度更高，当采用$31254(或254SM0)仍不能满足要求时，板式换热器的板片材料就要选用钛材了。

顺便提一句，板式热交换器的内板壁温确定，最好是根据被冷却介质的温度和循环冷却水的温度来计算，如果计算有困难，可取设备的设计温度。

不过这样也会造成选材过高而增加设备投资。

5 结语
用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，其板片材料的选择影响因素除了上述的循环水中氯离子含量多少、水的温度和被冷却介质的温度外，还有循环冷却水的酸碱度，同样的氯离子含量，在酸性环境下腐蚀性增强，反之减弱。

如316不锈钢材料，对于1．20×10I4(120 ppm， )氯离子含量的循环冷却水，在pH值为5时，不腐蚀的合适温度为：40℃，在pH值为9时，不腐蚀的合适温度可以大于130℃。

因此，板式换热器的板片材料的选择要综合考虑各种因素，以达到既可保证设备的长期运转，又可不增加设备投资的目的。

参考文献
[1] 工业循环冷却水处理设计规范GB5005o一95 Es]
[2] 左景伊左禹，腐蚀数据及选材手册(第四版)[M]，北京：化学工业出版社，20o4：26．27，30。

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