引言

近年來，隨著船舶運營時間的增加，船用換熱器陸續(xù)出現(xiàn)泄漏問題，嚴(yán)重影響著船舶運行的安全性。根據(jù)近年來船用換熱器損傷的統(tǒng)計情況，船用換熱器損傷的主要形式為管道內(nèi)壁點蝕破損和管端沖蝕損壞。同時，船用換熱器出現(xiàn)損傷的部位主要集中在進水腔室入口管段處。圖1和圖2為某采用BFe30材質(zhì)換熱管的船用換熱器管內(nèi)壁及管端損壞情況圖。

目前，船用換熱器的換熱管材質(zhì)主要為不銹鋼、BFe10銅合金和BFe30銅合金。近年來，隨著對換熱器腐蝕問題的重視，船用換熱器開始越來越多地采用鈦管。船用換熱器防腐設(shè)計一般通過選擇抗海水腐蝕材料的換熱管以及犧牲陽極保護措施進行防腐，陰極電流保護由于設(shè)計不當(dāng)時易帶來負(fù)面影響而較少被采用。

本文針對船用換熱器損壞的主要因素，重點對船用換熱器換熱管材質(zhì)選擇及防腐措施設(shè)計進行論述。

1、船用換熱器選材分析

換熱器換熱管腐蝕方式主要包含點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕和磨損腐蝕，各類腐蝕相關(guān)定義見GB/T10123—2022《金屬和合金的腐蝕術(shù)語》。在各類腐蝕問題中，侵蝕性離子點蝕和沖蝕是引起換熱器損壞的主要因素。而在各類侵蝕性離子中，氯離子腐蝕又是破壞換熱管材質(zhì)鈍化膜最重要的侵蝕性離子。

船舶換熱器大多采用海水作為冷卻水，海水中侵蝕性氯離子、固體泥沙和微生物較多，在換熱器選材過程中應(yīng)著重考慮換熱管材質(zhì)對氯離子點蝕和沖蝕腐蝕的耐受性。

1.1銅合金材質(zhì)

銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力，可有效減小換熱器的換熱面積，是目前在役船舶廣泛使用的換熱管材質(zhì)。目前船用銅合金換熱管主要以BFe10和BFe30為主，以前也曾使用HAl77材質(zhì)換熱管。

表1列出了常用銅合金換熱器推薦使用水質(zhì)條件。從表1可看出：HAl77和BFe30具有最強的耐鹽蝕能力，但HAl77耐沖蝕能力較差，其可使用流速也較小。

需注意的是，銅合金管因其自身化學(xué)性質(zhì)，對表2中的物質(zhì)或離子具有較差的耐腐蝕性，故這些物質(zhì)或離子所在環(huán)境中不宜使用銅合金管。

為了追求較強的換熱能力及較小的換熱器體積，同時為了防止生物附著，船用換熱器中一般采用較高的換熱管內(nèi)冷卻水流速，這樣就給換熱器帶來了嚴(yán)重的沖蝕損壞風(fēng)險。采用HAl77換熱管的換熱器在使用幾年后頻繁出現(xiàn)泄漏，目前已基本被淘汰。BFe30以其較強的耐離子腐蝕能力及耐沖刷能力，在船用換熱器中被大量使用，但隨著運營時間的增加，采用BFe30換熱管的換熱器近年也頻繁出現(xiàn)損傷和泄漏事故。基于采用銅合金管的船用換熱器在實船應(yīng)用中的頻發(fā)問題，目前已開始尋找其他材質(zhì)來替換銅合金管作為換熱管材質(zhì)。

1.2奧氏體不銹鋼材質(zhì)

奧氏體不銹鋼材質(zhì)作為一種優(yōu)良的耐蝕材料且價格低廉而被廣泛使用，在船用環(huán)境中也被廣泛用于非海水介質(zhì)管路和換熱器，以前也被用于船上海水儲存容器。船用換熱器采用的不銹鋼材質(zhì)主要以奧氏體鋼S304系和S316系為主。在各類腐蝕因素中，奧氏體不銹鋼受氯離子應(yīng)力腐蝕的破壞最大，各國各行業(yè)都對不銹鋼耐氯離子限度有自己的經(jīng)驗值，如美國合成氨工業(yè)將316不銹鋼發(fā)生孔蝕及應(yīng)力腐蝕開裂的限值定為500mg/L。奧氏體不銹鋼中主要的防銹材質(zhì)為含有鉻及鎳的材料，可在不銹鋼表面形成致密的氧化物薄膜，以阻擋不銹鋼材質(zhì)被氧化。然而，氯離子對不銹鋼表面的氧化物薄膜具有較強破壞能力。

JARGELIUS-PETTERSSON[1]研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼材料中的鉻、鉬和氮對抵抗局部點腐蝕具有抵抗作用，其綜合影響可用耐點腐蝕能力指數(shù)（PittingResistanceEquivalentNumber,PREN）NPRE表示，計算公式為

N_PRE=C_Cr+3.3C_Mo+16C_N（1）

式中：N_PRE為耐點腐蝕能力指數(shù)；C_Cr為材料中鉻元素含量，%；C_Mo為材料中鉬元素含量，%；C_N為材料中氮元素含量。

根據(jù)JARGELIUS-PETTERSSON[1]所述，鉻及鉬是奧氏體不銹鋼抗點腐蝕的主要因素，當(dāng)鉬含量超過3%時，可有效阻止Cl^?向材料基體滲透而引起腐蝕。

常用不銹鋼管使用氯離子含量限值見表3。

不銹鋼S316系相比S304系的材質(zhì)組成多了鉬元素，S317系相比S316系的不銹鋼材質(zhì)組成中提高了鎳和鉬的含量。因此在常用不銹鋼材質(zhì)中，S317具有更高的抗點腐蝕能力。值得說明的是，S317系不銹鋼在無污染的咸水中使用氯離子的上限可達5000mg/L。

不銹鋼材質(zhì)在船用設(shè)備中被大量運用，尤其是具有低廉價格的S304系不銹鋼。但船用淡水環(huán)境中，氯離子含量也極為可能超過不銹鋼適用限值，在設(shè)備材料選擇時應(yīng)綜合論證，以設(shè)備工作時可能遇到的最差水質(zhì)條件來分析和選擇材質(zhì)。

1.3鈦材

鈦是化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬材料，易與氧生成穩(wěn)定的氧化物薄膜以阻止鈦被腐蝕，因此鈦合金具有較強的耐腐蝕性和較強的抗海水沖刷性能，其特性使其極為適合應(yīng)用于采用海水作為冷卻介質(zhì)的換熱器內(nèi)。目前，鈦管換熱器生產(chǎn)制造技術(shù)已相當(dāng)成熟并獲得了大量應(yīng)用，在我國濱海電廠及季節(jié)性海水倒灌的應(yīng)用場景中，使用TA2材質(zhì)冷凝管的換熱器，經(jīng)過長期的實際應(yīng)用考驗，展現(xiàn)出了優(yōu)異的抗海水腐蝕性能。

換熱器采用鈦管時，應(yīng)注意鈦管的一些不利特性，具體為：由于鈦管在海水環(huán)境中容易附著微生物和污泥，易導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降，同時，鈦和氫具有較強的親和力，實際應(yīng)用中較其他材質(zhì)更易發(fā)生析氫現(xiàn)象；鈦具有較高的腐蝕電位，在鈦管與管板和隔板等的連接處易發(fā)生電偶腐蝕；因鈦的彈性模量較低，采用鈦管做冷凝器的換熱器需要較小的支撐板間距及較厚的換熱管壁厚。

1.4超鐵素體不銹鋼材質(zhì)

超鐵素體不銹鋼作為目前國際上使用的一種海水介質(zhì)用不銹鋼材質(zhì)，具有優(yōu)良特性，本文以使用較廣的材質(zhì)Sea-Cure（S44660）為例進行分析。根據(jù)梁磊等[2]的研究，3種材質(zhì)耐含砂海水連續(xù)沖刷性能及耐腐蝕性能見表4。

從表4的試驗數(shù)據(jù)可知，Sea-Cure材質(zhì)的耐沖蝕性能明顯優(yōu)于TA2。在抗腐蝕性能方面，Sea-Cure性能與TA2則相近，美國等國家長期的運行試驗也證明了Sea-Cure在實際海水環(huán)境中具有不弱于TA2的優(yōu)秀耐腐蝕性能。另外，Sea-Cure在海水中允許的最大介質(zhì)流速亦高于鈦材[3]。

此外，Sea-Cure相比鈦材具有更高的強度，其材料基本性能對比見表5。Sea-Cure材質(zhì)相比常用的TA2和BFe30材質(zhì)具有更高的屈服強度，因此采用Sea-Cure材質(zhì)作為換熱管材質(zhì)時可采用更薄的壁厚及更大的支撐板間距，換熱器結(jié)構(gòu)也更易于設(shè)計。

2、船用換熱器防腐設(shè)計

2.1換熱管材質(zhì)的選擇

船用換熱器的工作條件較惡劣，海水中的鹽分尤其是氯離子含量較大，海水中氯離子含量的平均值為19000mg/L，且受海域和環(huán)境條件等的影響而不同。另外，海水中含有大量海洋生物和泥砂等物質(zhì)。船用換熱器采用海水做冷卻介質(zhì)時，應(yīng)充分考慮材質(zhì)的耐腐蝕和沖蝕能力。在目前常用換熱器材質(zhì)中，鈦材及超鐵素體不銹鋼材質(zhì)已被驗證是在海水環(huán)境中具有優(yōu)良性能的材質(zhì)。船用換熱器設(shè)計過程可綜合考慮材料強度、設(shè)備質(zhì)量和成本造價等3個主要因素，對比分析鈦材及超鐵素體不銹鋼的優(yōu)劣，根據(jù)實際需求，選取最佳換熱器材質(zhì)。

2.2沖刷腐蝕

沖刷腐蝕作為船用換熱器損壞的主要原因之一，主要發(fā)生在換熱管進水管端。沖刷腐蝕直接與冷卻水中磨蝕性物質(zhì)及冷卻水流速相關(guān)，換熱器設(shè)計過程中對于有磨蝕的液體，包括沸點下的液體，當(dāng)其殼程進口管的流體ρν²＞740kg/(m·s²)（ρ為密度，kg/m³；v為流速，m/s）時，或在非磨蝕的單向流體ρν²＞2230kg/(m·s²）時應(yīng)在殼程處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍?。目前已裝船的換熱器中，受制于船舶空間限制，作為換熱器冷卻用的海水過濾精度一般不高，冷卻用海水中固體雜質(zhì)較多；同時，換熱器為了縮小尺寸，一般采用較大的進口流速且在換熱器端蓋中很少設(shè)置擋流板結(jié)構(gòu)，這些因素導(dǎo)致了船用換熱器嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象頻繁發(fā)生。鑒于采用海水做冷卻介質(zhì)的船用換熱器的工作條件較為惡劣，在換熱器的設(shè)計過程中，應(yīng)在換熱器入口前設(shè)置濾器，同時控制管端流速。此外，在換熱器端蓋中也應(yīng)設(shè)置擋板等措施以有效減緩沖刷腐蝕的作用。

2.3電偶腐蝕

電偶腐蝕又稱接觸腐蝕。在電解質(zhì)中，2種不同材質(zhì)的金屬相互接觸會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，因電偶腐蝕具有腐蝕速度快的特點，在換熱器設(shè)計過程中應(yīng)尤其被關(guān)注以防止發(fā)生電偶腐蝕。換熱器設(shè)計過程中，當(dāng)管板材質(zhì)與換熱管材質(zhì)不一致時，應(yīng)考慮電偶腐蝕防護，一般可采用管板涂層和電化學(xué)保護等措施。當(dāng)采用鈦管換熱管時，因鈦具有較高的腐蝕電位，應(yīng)著重考慮電偶腐蝕影響，鈦管換熱器的管板也應(yīng)采用鈦材或者復(fù)合鈦材。

2.4沉積物下腐蝕

沉積物下腐蝕是冷凝器腐蝕的形態(tài)之一，主成因是：冷凝器內(nèi)的污泥和微生物等雜質(zhì)在管內(nèi)壁形成沉積物，導(dǎo)致溶氧差異和介質(zhì)密度差，進而導(dǎo)致局部腐蝕，金屬被氧化成正價離子，負(fù)離子使溶液局部酸化，加速腐蝕進程。同時，冷卻管表面沉積物還會導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱性能下降。船用冷凝器因其冷卻介質(zhì)為海水，冷凝管極易在較短時間形成污泥等沉積物，設(shè)計過程中應(yīng)考慮換熱管的清洗設(shè)計，并在運行中定期清洗保護。

3、結(jié)論

1）船用換熱器換熱管選材過程中應(yīng)根據(jù)冷卻水質(zhì)條件進行選擇，當(dāng)采用海水做冷卻水時，換熱管建議采用TA2材質(zhì)或超鐵素不銹鋼材質(zhì)。

2）船用換熱器設(shè)計過程中應(yīng)關(guān)注防沖刷腐蝕結(jié)構(gòu)的設(shè)計，換熱器進水端蓋內(nèi)宜設(shè)置防沖擋板，同時冷卻水系統(tǒng)宜設(shè)置有效過濾措施。

3）換熱器設(shè)計過程中應(yīng)注意電偶腐蝕的防護，尤其是采用鈦材時。

參考文獻：

[1] JARGELIUS-PETTERSSON R F A. Application of the Pitting Resistance Equivalent Concept to Some Highly Alloyed Austenitic Stainless Steels[J]. Corrosion: The Journal of Science and Engineering, 1998, 54(2): 162-168.

[2] 梁磊, 陳胤強, 李政, 等. 沿海電廠凝汽器用管材 研究[J]. 中國電力, 2009, 42(1): 66-69.

[3] 余存燁, 胡憔本. 超鐵素體不銹鋼的進展與展望[J].石油化工腐蝕與防護, 2008, 25(4): 5-7.

相關(guān)鏈接