换热器管子与管板焊缝的腐蚀与防护技术研究

摘要

换热器是炼油、化工、食品、制药等行业中广泛使用的热交换设备。由于换热器接触介质复杂且腐蚀性强，在生产过程中经常发生腐蚀泄漏，如果换热器管子与管板连接接头处发生腐蚀泄漏，将导致管程介质和壳程介质的混合，轻者影响生产降低产品质量，严重时发生爆炸危及人身与设备的安全。因此研究换热器管子与管板及焊缝异种材料组合结构的腐蚀机理并提出防腐措施，对延长换热器的寿命，提高企业经济效益具有重要意义。 通过对长庆石化公司循环冷却水系统的实地调研，分析确定了循环冷却水的腐蚀影响因素为循环水温度、氯离子浓度、pH值以及钙离子浓度。选用正交试验设计方法对腐蚀影响因素进行试验设计，各因素的研究范围为，温度:30℃～60℃、氯离子浓度:0.0056mol/L～0.014mol/L、pH值:5～8、钙离子浓度:0.00075mol/L～0.00225mol/L。利用普林斯顿2273电化学工作站对换热管304不锈钢、管板16Mn及焊缝区金属在管程侧循环冷却水介质中进行了极化曲线、交流阻抗和电化学噪声测试，焊缝金属耐蚀性最好，其自腐蚀电位最低、阻抗和噪声电阻最大，管板最容易发生腐蚀。通过极差分析确定了各因素对304不锈钢、16Mn和焊缝区金属腐蚀影响的大小，温度和氯离子浓度是对换热管、管板及焊缝区金属腐蚀产生影响最大的因素。 采用电偶腐蚀试验方法研究了管板与换热管异种材料组合结构在管程侧循环冷却水介质中的腐蚀，管板材料由于电位较低作为电偶对的阳极被加速腐蚀，而换热管和焊缝区金属则作为电偶对的阴极受到保护。分析了循环水温度和氯离子浓度对电偶腐蚀的影响，随着温度的升高和氯离子浓度的增大，电偶腐蚀效应越大管板的腐蚀越严重。 为了提高管板的耐蚀性，采用牺牲阳极保护方法将分程隔板作为阳极，通过ComsolMultiphysics软件对管板表面的电位分布进行模拟计算。根据数值模拟结果确定了管板的保护电位范围，为阴极保护系统设计提供理论参考。 通过电化学试验和数值模拟对换热器管子与管板焊缝在循环水介质中的腐蚀行为进行研究，分析了温度、离子浓度等因素对异种材料组合结构腐蚀的影响，为解决炼厂循环冷却水系统中异种材料组合结构的腐蚀机理和防腐问题提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究目的和意义

1．2 换热器腐蚀国内外研究现状

1．3 换热器腐蚀防护方法研究现状

1．4 课题来源

1．5 研究内容

第二章 循环水系统中换热器腐蚀影响因素分析

2．1 管壳式换热器腐蚀类型

2．1．1 均匀腐蚀

2．1．2 点蚀

2．1．3 电偶腐蚀

2．1．4 缝隙腐蚀

2．1．5 冲刷腐蚀

2．1．6 应力腐蚀

2．2 循环冷却水系统中换热器腐蚀影响因素分析

2．2．1 氯离子

2．2．2 钙离子

2．2．3 温度

2．2．4 pH值

2．2．5 溶解氧

第三章 循环水系统中换热器腐蚀试验研究

3．1 试验仪器、材料及试剂

3．1．1 化学试剂及试验材料

3．1．2 试验仪器

3．1．3 试验测试过程

3．1．4 试样制备

3．2 循环水系统中换热器腐蚀试验方案设计

3．2．1 正交试验方案介绍

3．2．2 水平因素设计

3．2．3 正交表选择

3．2．4 表头设计

3．3 腐蚀试验测试方法

3．3．1 极化曲线测试方法

3．3．2 交流阻抗测试技术

3．3．3 电化学噪声技术

第四章 电化学试验测试结果与分析

4．1 极化曲线测试结果与分析

4．1．1 极化曲线测试

4．1．2 极化曲线测试结果分析

4．2 交流阻抗测试结果与分析

4．2．1 交流阻抗测试

4．2．2 交流阻抗测试结果分析

4．3 电化学噪声测试结果与分析

4．3．1 电化学噪声测试

4．3．2 电化学噪声测试结果时域分析

4．3．3 电化学噪声测试结果频域分析

4．4 本章小结

第五章 换热器中异种材料的电偶腐蚀试验结果与分析

5．1 开路电位测试

5．2 16Mn与304不锈钢的电偶腐蚀试验结果与分析

5．2．1 不同温度下16Mn与304电偶腐蚀测试结果与分析

5．2．2 不同氯离子浓度时16Mn与304电偶腐蚀测试结果与分析

5．3 16Mn与焊缝区金属的电偶腐蚀试验结果与分析

5．3．1 不同温度下16Mn与焊缝区金属的电偶腐蚀测试结果与分析

5．3．2 不同温度下16Mn与焊缝区金属电偶腐蚀

5．4 本章小结

第六章 换热器中牺牲阳极阴极保护法的数值模拟研究

6．1 牺牲阳极保护方法介绍

6．1．1 概述

6．1．2 牺牲阳极的种类

6．1．3 牺牲阳极保护数值模拟的研究现状

6．2 换热器中牺牲阳极保护方法的有限元计算

6．2．1 换热器管板牺牲阳极保护的数学描述

6．2．2 Comsol Muitiphysics模拟软件

6．2．3 数值模拟计算

第七章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文