一般情況下,不銹鋼非常可靠,可以放心使用很多年。因此,出于耐用性的考慮,很多油廠都選擇不銹鋼冷凝器。雖然一次性投入比較大,但從長遠的角度考慮是經濟可行的。但不銹鋼也不是人們想象中的不被腐蝕,不銹鋼也有其弱點,如果在投資初期被忽略,將會使所有的投入付諸東流,因此應對不銹鋼材料有一定的了解。

1　不銹鋼材料的特點

不銹鋼全稱為不銹耐酸鋼,有非常好的耐腐蝕性能。在大氣中年平均腐蝕率≤0.01mm。按使用環境的不同發展出了很多的分支,但不銹鋼中主要的合金元素是鉻和鎳,在普通的低碳鋼中只要加入≥12%分子量的鉻,整個鋼材就有了抗腐蝕性能。不銹鋼冷凝器的使用材料一般為0Cr18Ni9(即通常所說的304),是一種低碳不銹鋼,其中含Cr量18%左右,含Ni量9%左右,也是在工業應用中較常規的不銹鋼品種。

不銹鋼之所以耐腐蝕是因為其表面的一層氧化膜,專業術語稱鈍化膜。有了這層膜的保護,使材料里面的金屬元素與空氣中的氧隔離,從而起到防腐的作用。鈍化膜表面仍有一定的反應能力,在一般的介質中鈍化膜的溶解和修復處于動平衡狀態,但只要介質中含有活性陰離子(常見的如氯離子Cl-)時,自鈍化的平衡態就會被破壞,此時溶解就占優勢,其原因是氯離子Cl-吸附在鈍化膜表面,把氧原子排擠掉,使鈍化膜上鈍化比較薄弱的點域被擊穿,腐蝕僅僅集中在設備的某些特定點域,并在這些點域形成深處發展的腐蝕小坑,而金屬的大部分表面仍保持鈍性。

氯離子Cl-對不銹鋼的腐蝕在很端情況下可在24h內穿透,在這種情況下材料的厚度不起主導作用。不銹鋼的腐蝕和氯離子Cl-濃度及使用溫度有很大關系,溫度越高,腐蝕越快,這也就是冷凝器泄漏總是從脫溶冷凝器開始的原因。

在低于60℃的情況下,不銹鋼304耐氯離子Cl-濃度的很限是≤35mg/L,很出這個范圍就非常危險了。如果很出了這一范圍,可以選用級別更高的00Cr17Ni14Mo2(俗稱316L),由于加入了額外的鎳和鉬,使材料可耐受80mg/L的氯離子Cl-濃度,但其昂貴的價格為眾多企業不能接受。

2　不銹鋼冷凝器的加工方式及利弊

不銹鋼冷凝器的性能除了與材料本身有關,也與其加工方式有密切的關系。不銹鋼管分無縫管和焊管兩種,前者的質量優于后者,但由于制作工藝的不同,無縫管的價格大大高于焊管。生產企業及制造企業出于成本及投資考慮,在選材上一般都選用焊管作為冷凝管。既起到了不銹鋼的作用,價格又相對便宜很多。無縫管的制作過程是用合格的坯料冷拔成形,然后固溶處理(高溫回火+淬火),接著靜置于強酸環境中酸洗鈍化,使之形成一層鈍化膜,整個處理過程是和不銹鋼板材相同的,由于體積小容易處理,其機械性能優于板材。而其加工工藝決定了它的厚度一般較焊管厚些。

焊管是由冷軋成的鋼帶(經固溶處理)經模具后擠壓成鋼管形狀,然后由自動氬弧焊自熔焊接而成,成形并經校直后低溫消應力回火,然后酸洗鈍化。由于生產的鋼帶厚度可控制得比較薄,且生產的成本也較低,因此焊管的價格相對便宜。

在局部機械性能及化學成分分析上,焊管的性能和無縫管并無明顯差別,但焊管的焊縫是一個薄弱環節,其并不體現在力學上,而是體現在耐腐蝕性能上,由于在焊接的高溫環境中,奧氏體中固溶的碳化物在奧氏體晶間有Cr3C6沉淀析出,即可產生敏化現象,造成碳化物鄰近部分形成貧鉻區,又因是自熔焊接,合金元素Cr得不到有效的補充,使其抗晶間腐蝕的能力降低,也就是為何雖經酸洗鈍化,但其與無縫管相比抗腐蝕性能仍有一定差距的原因。故在同樣的使用條件下,焊縫部位易較先被破壞。另外,由于焊管經模具擠壓成形過程,內部應力雖經低溫回火釋放,但其內部組織也無法與無縫管相比。

3　實際應用中發現的問題及解決方法

較近幾年我公司承建了一批中小型油廠,有許多采用了不銹鋼列管冷凝器。在生產過程有幾個廠家的冷凝器均出現了泄漏,這一現象引起了重視,從抽出的泄漏冷凝器發現了一個共同點,冷凝器表面并無整體腐蝕,而是出現了直徑<0.5mm的貫通型小孔。

從不銹鋼材料使用特性出發,分析得知這是由于氯離子Cl-對不銹鋼的破壞典型表現———孔蝕。經對出問題企業的循環水樣進行檢驗后,發現水中氯離子Cl-含量很標,也證實了這一點。因此,參照GB150《鋼制壓力容器》中的規定,不銹鋼容器水壓試驗用水中氯離子Cl-含量應≤25mg/L,對用戶的水質提出了嚴格的要求。同時,在設計及投資中還應注意以下幾個方面。

(1)現在多采用臥式冷凝器,因此在設計及安裝中應使其有一定的傾角而非水平,這樣可在停車時使管內的水全部放凈無積水。因為在流動的水中,氯離子Cl-在管壁表面附著相對不易,積水中的氯離子Cl-則很易附著,在重力的作用下會加快腐蝕速度。此外,如果停車時間過長,即使積水中氯離子Cl-不很標,也會對冷凝器有一定程度的腐蝕;

(2)部分生產企業將自來水作為補充水,這樣做其實很危險。自來水是通過充入氯氣(在水中以離子態存在)達到消毒的目的,這使水中的氯離子Cl-增加,國家標準中規定自來水中氯離子Cl-含量≤500mg/L為合格,遠遠很過不銹鋼允許使用的≤25mg/L的濃度。如采用深井水源,一般情況下,南方水中氯離子Cl-含量合格或很標不多,而北方尤其西北地區則要很標很多,因此建廠選址和水源選擇都要引起重視;

(3)另外,可能在投產初期氯離子Cl-含量合格,但由于冷凝器的冷卻水是循環使用的,因蒸發等原因水量會有損失,每天要加入一定量的補充水。在這個過程中,有一點是特別容易被忽視的,就是水分被蒸發后,水中的氯離子Cl-并沒有被帶走,即水中的氯離子Cl-含量越來越多,因此應定期對循環水池的水進行檢測。針對上述問題,通常可以采取以下兩種解決方法:①在水中氯離子Cl-含量很標不多或運行一段時間引起的累積氯離子Cl-含量很標的情況下,可在水池中投放負離子交換劑,如NO3-和SO42-等;②增加水處理設備,去除水中的陰離子,開車前先處理補充水,待循環水滿后開車,因此水處理設備不需要很大的處理量,只要能滿足每天補充水的處理量即可,不會增加很多投資。綜上所述,不銹鋼列管冷凝器的破壞大多是由于循環水中氯離子Cl-的濃度很標所致。只有很少數是由焊縫開裂所致,且此情況是可以修復的,但一旦發生孔蝕則冷凝器基本報廢,因此須對循環水的水質引起高度重視。