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关键词：水冷器管束 泄漏原因 分析及处理
一、问题情况：
某公司氢气压缩机的一、二级水冷器首次使用五年后，两台压缩机的一、二级水冷器先后分别出现管束泄漏情况，进行了盲堵应急处理后，同年对水冷器管束均进行了换新（管束材质也由10#钢更换为20#钢），再次运行五年后，均又先后出现管束泄漏情况，进行了盲堵或换新。
二、管束腐蚀泄漏的原因分析：
1、缝隙腐蚀：
指金属与金属或与非金属之间，由于存在缝隙，在腐蚀介质的作用下发生的缝隙腐蚀，在管壳式换热器中，如换热管与管板或换热管与折流板连接的缝隙处发生的腐蚀，“缝隙腐蚀”和“垢下腐蚀”的腐蚀机理相同均为电化学腐蚀。
2、应力腐蚀：
应力腐蚀是材料在外加或残余应力和腐蚀介质的共同作用下发生的一种腐蚀形态，应力腐蚀是腐蚀形态中破坏性最强的腐蚀，通常在无察觉的情况下就发生了脆性断裂。应力腐蚀通常发生在材料相对应的特殊介质中：如Cl-离子与奥氏体不锈钢、铜与氨及鋁与高温蒸汽等环境中。在管壳式换热器中，最常发生应力腐蚀有Cl-离子与奥氏体材料腐蚀、硫化物应力腐蚀以及高温高压条件下的氢腐蚀等。
由于该一、二级水冷器壳程冷却介质均为循环水，换热管材料为20#碳素钢，且该冷却循环水中Cl-离子浓度较低，所以发生Cl-离子应力腐蚀的可能性小。
3、氢腐蚀：
氢腐蚀是指钢在高温、高压的氢气环境中，氢原子在设备表面或渗入钢内部与不稳定的碳化物发生反应生成甲烷，使钢脱碳，机械强度受到永久性的破坏。在钢内部生成的甲烷气无法外溢而集聚在钢内部形成局部压力，从而发展为鼓包开裂而导致腐蚀泄漏发生。
碳钢的抗氢腐蚀性能随碳钢中碳含量升高而降低，选用合金钢材料因含有铬、钛、铌、钒、钼等元素能与碳结合有效防止氢腐蚀的发生。
一般温度为200℃、氢分压为80MPa时为氢腐蚀的临界发生值：温度在200℃以上，氢分压在80MPa以上时，氢腐蚀相对严重，反则氢腐蚀相对轻微或难以发生。
该一、二级水冷器管程介质为纯氢气，水冷器多次检修也未发现16Mn管板与管束的连接焊缝有腐蚀泄漏情况发生，且管板外表面光滑完好，初步分析氢腐蚀的影响较小。但从水冷器实际运行记录看出： 2014年之前水冷器10#钢材质（碳含量：0.10%）的管束使用情况良好，但2014年因4台水冷器管束均泄漏严重，全部将管束材质更换为20#钢（碳含量：0.20%）后，进行了全部换新，反而在后期使用中管束泄漏尤为加重，初步分析在该介质环境中应选超低碳金属管束，防止氢等腐蚀的发生。
4、垢下腐蚀：
垢下腐蚀是一种局部腐蚀形态，腐蚀机理由于设备的几何形状特征，当循环冷却水中存在SO4-、SiO4-、 CO3-等离子时，会与Ca2+、Mg2+等离子发生反应生成难溶解的硫酸盐、硅酸盐、碳酸盐，及其水中的杂物及泥沙等在换热管表面因流速减慢沉积结垢。由于水垢的存在使介质在管束表面的流动和电介质扩散受到限制，造成垢下空腔内介质的化学成分与整体介质有较大差别，空腔内介质PH值也发生较大变化，形成电化学腐蚀的条件，按腐蚀形态可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀，通常循环冷却水系统产生的垢下变为酸性，垢下发生了酸性腐蚀。
如20#等碳素钢的垢下腐蚀是由于本身的电化学腐蚀存在的作用，垢下金属为阳极失去电子发生了腐蚀溶解，而阴级则发生了电子的传递和结合作用。具体反应如下：
阳极反应：Fe - 2e Fe2+
阴极反应：2H+ + 2 e H2
腐蚀产物可溶性盐如FeCO3 水解使酸性近一步加强如：
FeCO3 +2H2O=Fe（OH）2 + H 2CO3
由于这4台水冷器的管程介质为纯氢气，壳程为循环水，每次拆卸检查水冷器管束均发现换热管外表面积垢严重，清净积垢后，垢层下的管束表面腐蚀更为严重，产生了密布的脱皮、坑蚀、犁沟等情况，初步分析该冷却器管束循环水冷却的外表侧主要发生了“垢下腐蚀”。
三、管束选材性能的比较：
1、10#和20#钢：
10#、20#优质碳素钢管材是管壳式换热器碳钢管材的首选，含碳量不同则导致换热管的机械性能不同，耐氢腐蚀性能不同，随着含碳量的增加，金属换热管的强度、硬度都相应提高，但塑性及韧性略有下降，耐氢腐蚀性能下降（压力容器用钢的含碳量一般不超过0.25%），10#管比20#管容易胀焊接，但20#管比10#管材料的许用应力大，强度高，耐压能力强。10#管和20#钢管均是普通碳钢管，抗化学腐蚀、循环水垢下电化学腐蚀的性能均差。
2、304不锈钢：
因304不锈钢抗氯离子腐蚀和晶间腐蚀性能差，不宜用于循环水介质的换热器中，该水冷器的管程为氢气，壳程为循环水，所以管材不宜选用304材质
3、321不锈钢：
321不锈钢是Cr-Ni-Ti型奥氏体不锈钢（0Cr18Ni10Ti），成分与304（0Cr18Ni9）接近，但由于成分中添加有Ti稳定性能的元素，具有耐化学腐蚀、耐高温、抗蠕变、耐磨损等性能，耐高温性能比316好，在高温时强度也高，它是热强度钢种，同时耐晶界腐蚀、抗硫化物腐蚀的性能好。
它主要用于加氢反应器内件、分馏塔等内件，以及高温高压法兰的金属八角密封垫及压力容器零部件等，该水冷器介质为非高温和腐蚀性弱的介质，壳程循环水中的Cl-离子浓度较低，按理该水冷器管束也可选用该材质。
4、316L不锈钢：
316L不锈钢是Cr-Ni-Mo型奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）， 由于奥氏体成分中添加有Mo元素，具有耐化学腐蚀、耐高温、耐氯离子腐蚀的性能，焊接加工性能优于304不锈钢，316L不锈钢在高、低温下具有良好的耐氧化性能，在腐蚀性苛刻的造纸工业及氯离子腐蚀性强的海洋环境中也可使用。
由于316L不锈钢的具有良好的耐化学腐蚀和抗氧化性，耐氯离子腐蚀的性能强，且316L相比同材质的316为超低碳不锈钢（316L的碳含量为0.03%、 316的碳含量为0.08%），抗氢腐蚀的性能强， 316L不锈钢机械加工性能较好，在特殊化工设备中得到广泛应用，综合以上分析316L管材能满足该水冷器的使用条件要求。
四、处理方案：
由于新氢压缩机在公司工艺生产运行中为A类重要设备，附属设备水冷器的易燃易爆介质氢气若向循环水介质侧发生泄漏，不仅影响主机运行，也直接威胁循环水及相关生产系统的安全稳定运行。且目前全国各地化工企业生产安全事故频发，各级政府对化工企业的安全管理和隐患检查力度近一步加强，为确保压缩机能安全稳定运行，同时防止水冷器管束氢气泄漏对循环水及相关生产系统造成安全威胁，现主要采取下列方案：
对水冷器管束周期性（如每半年或一年，特别是利用大修期间）拆卸抽出进行高压水清理，防止垢下等腐蚀的发生;
从理论分析321、316L不锈钢管材均能适合水冷器使用性能的要求。性能对比： 316L抗氯化物的性能好，321抗硫化物的性能好。
所以水冷器管束从价格经济安全使用综合考虑应选用316L管材;从压缩机安全稳定长周期运行考虑;与管束相固定连接的管板的选用：由于该水冷器管板用材量少费用较低，使用与管束同材质的管板焊接连接，不易产生焊接缺陷及缝隙腐蚀等，所以管板与管束应选用同材质。
作者简介：姓名：黑彦军 出生日期：1986.06.03 性别：男 籍贯：陕西横山 民族：汉 最高学历：大专 现有职称：助理工程师 研究方向：机械
一、问题情况：
某公司氢气压缩机的一、二级水冷器首次使用五年后，两台压缩机的一、二级水冷器先后分别出现管束泄漏情况，进行了盲堵应急处理后，同年对水冷器管束均进行了换新（管束材质也由10#钢更换为20#钢），再次运行五年后，均又先后出现管束泄漏情况，进行了盲堵或换新。
二、管束腐蚀泄漏的原因分析：
1、缝隙腐蚀：
指金属与金属或与非金属之间，由于存在缝隙，在腐蚀介质的作用下发生的缝隙腐蚀，在管壳式换热器中，如换热管与管板或换热管与折流板连接的缝隙处发生的腐蚀，“缝隙腐蚀”和“垢下腐蚀”的腐蚀机理相同均为电化学腐蚀。
2、应力腐蚀：
应力腐蚀是材料在外加或残余应力和腐蚀介质的共同作用下发生的一种腐蚀形态，应力腐蚀是腐蚀形态中破坏性最强的腐蚀，通常在无察觉的情况下就发生了脆性断裂。应力腐蚀通常发生在材料相对应的特殊介质中：如Cl-离子与奥氏体不锈钢、铜与氨及鋁与高温蒸汽等环境中。在管壳式换热器中，最常发生应力腐蚀有Cl-离子与奥氏体材料腐蚀、硫化物应力腐蚀以及高温高压条件下的氢腐蚀等。
由于该一、二级水冷器壳程冷却介质均为循环水，换热管材料为20#碳素钢，且该冷却循环水中Cl-离子浓度较低，所以发生Cl-离子应力腐蚀的可能性小。
3、氢腐蚀：
氢腐蚀是指钢在高温、高压的氢气环境中，氢原子在设备表面或渗入钢内部与不稳定的碳化物发生反应生成甲烷，使钢脱碳，机械强度受到永久性的破坏。在钢内部生成的甲烷气无法外溢而集聚在钢内部形成局部压力，从而发展为鼓包开裂而导致腐蚀泄漏发生。
碳钢的抗氢腐蚀性能随碳钢中碳含量升高而降低，选用合金钢材料因含有铬、钛、铌、钒、钼等元素能与碳结合有效防止氢腐蚀的发生。
一般温度为200℃、氢分压为80MPa时为氢腐蚀的临界发生值：温度在200℃以上，氢分压在80MPa以上时，氢腐蚀相对严重，反则氢腐蚀相对轻微或难以发生。
该一、二级水冷器管程介质为纯氢气，水冷器多次检修也未发现16Mn管板与管束的连接焊缝有腐蚀泄漏情况发生，且管板外表面光滑完好，初步分析氢腐蚀的影响较小。但从水冷器实际运行记录看出： 2014年之前水冷器10#钢材质（碳含量：0.10%）的管束使用情况良好，但2014年因4台水冷器管束均泄漏严重，全部将管束材质更换为20#钢（碳含量：0.20%）后，进行了全部换新，反而在后期使用中管束泄漏尤为加重，初步分析在该介质环境中应选超低碳金属管束，防止氢等腐蚀的发生。
4、垢下腐蚀：
垢下腐蚀是一种局部腐蚀形态，腐蚀机理由于设备的几何形状特征，当循环冷却水中存在SO4-、SiO4-、 CO3-等离子时，会与Ca2+、Mg2+等离子发生反应生成难溶解的硫酸盐、硅酸盐、碳酸盐，及其水中的杂物及泥沙等在换热管表面因流速减慢沉积结垢。由于水垢的存在使介质在管束表面的流动和电介质扩散受到限制，造成垢下空腔内介质的化学成分与整体介质有较大差别，空腔内介质PH值也发生较大变化，形成电化学腐蚀的条件，按腐蚀形态可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀，通常循环冷却水系统产生的垢下变为酸性，垢下发生了酸性腐蚀。
如20#等碳素钢的垢下腐蚀是由于本身的电化学腐蚀存在的作用，垢下金属为阳极失去电子发生了腐蚀溶解，而阴级则发生了电子的传递和结合作用。具体反应如下：
阳极反应：Fe - 2e Fe2+
阴极反应：2H+ + 2 e H2
腐蚀产物可溶性盐如FeCO3 水解使酸性近一步加强如：
FeCO3 +2H2O=Fe（OH）2 + H 2CO3
由于这4台水冷器的管程介质为纯氢气，壳程为循环水，每次拆卸检查水冷器管束均发现换热管外表面积垢严重，清净积垢后，垢层下的管束表面腐蚀更为严重，产生了密布的脱皮、坑蚀、犁沟等情况，初步分析该冷却器管束循环水冷却的外表侧主要发生了“垢下腐蚀”。
三、管束选材性能的比较：
1、10#和20#钢：
10#、20#优质碳素钢管材是管壳式换热器碳钢管材的首选，含碳量不同则导致换热管的机械性能不同，耐氢腐蚀性能不同，随着含碳量的增加，金属换热管的强度、硬度都相应提高，但塑性及韧性略有下降，耐氢腐蚀性能下降（压力容器用钢的含碳量一般不超过0.25%），10#管比20#管容易胀焊接，但20#管比10#管材料的许用应力大，强度高，耐压能力强。10#管和20#钢管均是普通碳钢管，抗化学腐蚀、循环水垢下电化学腐蚀的性能均差。
2、304不锈钢：
因304不锈钢抗氯离子腐蚀和晶间腐蚀性能差，不宜用于循环水介质的换热器中，该水冷器的管程为氢气，壳程为循环水，所以管材不宜选用304材质
3、321不锈钢：
321不锈钢是Cr-Ni-Ti型奥氏体不锈钢（0Cr18Ni10Ti），成分与304（0Cr18Ni9）接近，但由于成分中添加有Ti稳定性能的元素，具有耐化学腐蚀、耐高温、抗蠕变、耐磨损等性能，耐高温性能比316好，在高温时强度也高，它是热强度钢种，同时耐晶界腐蚀、抗硫化物腐蚀的性能好。
它主要用于加氢反应器内件、分馏塔等内件，以及高温高压法兰的金属八角密封垫及压力容器零部件等，该水冷器介质为非高温和腐蚀性弱的介质，壳程循环水中的Cl-离子浓度较低，按理该水冷器管束也可选用该材质。
4、316L不锈钢：
316L不锈钢是Cr-Ni-Mo型奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）， 由于奥氏体成分中添加有Mo元素，具有耐化学腐蚀、耐高温、耐氯离子腐蚀的性能，焊接加工性能优于304不锈钢，316L不锈钢在高、低温下具有良好的耐氧化性能，在腐蚀性苛刻的造纸工业及氯离子腐蚀性强的海洋环境中也可使用。
由于316L不锈钢的具有良好的耐化学腐蚀和抗氧化性，耐氯离子腐蚀的性能强，且316L相比同材质的316为超低碳不锈钢（316L的碳含量为0.03%、 316的碳含量为0.08%），抗氢腐蚀的性能强， 316L不锈钢机械加工性能较好，在特殊化工设备中得到广泛应用，综合以上分析316L管材能满足该水冷器的使用条件要求。
四、处理方案：
由于新氢压缩机在公司工艺生产运行中为A类重要设备，附属设备水冷器的易燃易爆介质氢气若向循环水介质侧发生泄漏，不仅影响主机运行，也直接威胁循环水及相关生产系统的安全稳定运行。且目前全国各地化工企业生产安全事故频发，各级政府对化工企业的安全管理和隐患检查力度近一步加强，为确保压缩机能安全稳定运行，同时防止水冷器管束氢气泄漏对循环水及相关生产系统造成安全威胁，现主要采取下列方案：
对水冷器管束周期性（如每半年或一年，特别是利用大修期间）拆卸抽出进行高压水清理，防止垢下等腐蚀的发生;
从理论分析321、316L不锈钢管材均能适合水冷器使用性能的要求。性能对比： 316L抗氯化物的性能好，321抗硫化物的性能好。
所以水冷器管束从价格经济安全使用综合考虑应选用316L管材;从压缩机安全稳定长周期运行考虑;与管束相固定连接的管板的选用：由于该水冷器管板用材量少费用较低，使用与管束同材质的管板焊接连接，不易产生焊接缺陷及缝隙腐蚀等，所以管板与管束应选用同材质。
作者简介：姓名：黑彦军 出生日期：1986.06.03 性别：男 籍贯：陕西横山 民族：汉 最高学历：大专 现有职称：助理工程师 研究方向：机械