Предотвратяване на корозия при топлообменници

По-голямата част от техниките за контролиране на корозия се базират или на изолиране на корозиращия метал от средата, или на модифициране на средата по такъв начин, че анодната или катодната реакция да може да бъде управлявана. Алтернативно решение, разбира се, е използването на устойчиви на корозия метали за конструиране на оборудването.

През последните 40 години са разработени редица специализирани методи за подобряване на корозионната устойчивост на структурните елементи в корозивни среди. Сред тях са покрития за легирани стомани, хромиране на вътрешната повърхност и др.

Основните подходи за контрол на корозията са два - предотвратяване и защита.

Предотвратяването на корозията се базира на принципа на проектиране на такова оборудване, което не позволява появата на корозия, докато защитата цели свеждане до минимум на последствията от нея. Тъй като корозионният процес е електрохимична реакция, протичаща между материала и средата, в която се намира той, в повечето случаи корозията не може да бъде напълно предотвратена.

Тя може само да бъде контролирана в степен, позволяваща ефективна употреба на оборудването. Техниките за корозионен контрол включват подходящо проектиране на конструкцията, изменяне характеристиките на корозивната среда, използване на устойчиви на корозия материали, повърхностно третиране, осигуряване на електрохимична защита (анодна или катодна) и пасивация.

Нито един от тези методи обаче не е универсално решение за проблемите, свързани с корозия. Всеки един случай трябва да бъде изследван поотделно, преди да бъде предприета каквато и да е мярка за корозионен контрол. Изборът на техническо решение за конкретния проблем следва да се базира и на резултатите от извършен анализ на приходите и разходите.

Подходящо проектиране

Проектирането е важен аспект при предотвратяването на корозия в топлообменници. В действителност, слабото място на много от съоръженията е неотчитането на корозионния контрол във фазата на проектирането им. Конструкционните детайли на съдове под налягане и топлообменници могат да имат съществено влияние върху корозията. По време на проектирането трябва внимателно да бъдат обмислени всички процепи, галванични двойки, както и оттичането и вентилацията. Съдовете трябва да осигуряват пълно оттичане.

Инсталирането на топлообменниците под наклон води до получаване на мъртво пространство, което може да доведе до прегряване, ако през тръбите преминават много горещи газове. Нарушенията на потока могат да доведат до ударни натоварвания, които също трябва да бъдат избягвани. Конструкционните елементи следва да защитават корозионната устойчивост на материалите, включително тяхната пасивност.

За метали като въглеродни, легирани, неръждаеми стомани, алуминий, титан, цирконий и др., корозионната устойчивост е вградена чрез защитен повърхностен филм, който разделя метала от заобикалящата го среда. Проектантите следва да отчетат възможността от поява на корозия вследствие на производствени практики или термична обработка на материала след заваряване.

Галваничната корозия и появата на корозионни пукнатини могат да бъдат контролирани посредством правилно проектиране. Ако е налице мъртво пространство (въздушен джоб), в което се концентрират хлориди например чрез омокряне и пресушаване на тръбната повърхност, то в тръбите на топлообменника могат да се появят пукнатини. Този проблем може да бъде елиминиран чрез вентилиране на мъртвата зона или гарантиране на пълното наводняване на тръбната повърхност.

Конструкционните материали следва да издържат не само на проектните условия, но и на нарушения в процесите при стартиране и спиране на съоръжението и по време на престой. Много от проблемите, свързани с корозия, възникват именно поради неизправности в тези периоди. Проблемите при стартиране често са свързани с висока температура, разлика в концентрацията на корозивния агент, неравномерно разпределение на инхибиторите или непълно отстраняване на кислорода.

Обикновено до корозия след престой на топлообменника могат да доведат остатъчни процесни флуиди или сухи отлагания, които са резултат от дългия период, през който съоръжението не се експлоатира. Натрупването на остатъчни флуиди може да причини локална корозия в пукнатини.

В много случаи, когато корозионният ефект на една система е известен, проектантите осигуряват допълнителна дебелина на някои податливи на корозия компоненти. Това обаче води до оскъпяване на съоръжението. Използването на силно корозивни флуиди в топлообменниците често обуславя необходимостта от изработването им от скъпи корозионно устойчиви метали като неръждаема стомана, титан, никелови сплави, цирконий, тантал, или неметали като керамика, графит, стъкло, тефлон и др. Конструирането на съоръженията от тези материали обаче свежда до минимум нуждата от удебеляване на стените им.

Употреба на инхибитори

Всяко изменение на характеристиките на средата, което я прави по-малко агресивна, е от полза при ограничаването на корозията на металите. Това може да стане чрез употребата на химична добавка (инхибитор), която влияе на електрохимичната реакция с цел спиране на корозията.

Друг прилаган метод е промяната на корозивността на средата чрез отстраняване на активните корозивни съставки. Това включва премахване на кислорода и въглеродния диоксид от вода за котли, омекотяване на водата, деминерализация на охлаждащите води, отстраняване на хлоридните йони от разтвор и деаерацията на киселинни разтвори в контакт с медни и никелови сплави.

Действието на инхибиторите се изразява в нарушаване или забавяне на протичащата електрохимична реакция. За контрол на корозията те обикновено се добавят в малки количества към киселини, охлаждащи води, пара, и други среди, периодично или непрекъснато.

Инхибиторите могат да бъдат класифицирани в зависимост от начина, по който те забавят електрохимичната реакция. Когато влияят на анодната или на катодната реакция, то инхибиторите биват съответно анодни или катодни. В случай че забавят и двете реакции, инхибиторите се наричат смесени.

Ефектът на тези вещества се изразява във формирането на бариера между металната повърхност и средата. Неорганичните съединения като хромати и нитрити оказват влияние на анодната реакция, а полифосфатите например - на катодната. Инхибиторите могат да бъдат групирани и спрямо това дали са едно- или многокомпонентни.

Анодните инхибитори са три основни вида - пасиватори, окисляващи и неокисляващи инхибитори. Пасиваторите функционират, като превръщат анодната зона в катодна, обикновено посредством непропускливи оксидни слоеве. Окисляващите инхибитори увеличават окислителния потенциал на анодните повърхности с цел повишаване скоростта на формиране на гама-железен оксид.

Хроматите са най-добре познатият и най-евтиният окисляващ инхибитор за системи за охлаждаща вода. Употребата им от екологична гледна точка обаче е неприемлива на много места по света. Затова, за да се избегне използването на токсични вещества и да се отговори на изискванията за изпусканите потоци, са разработени голям брой заместители на хроматите - базирани на цинк, поли- и ортофосфати, фосфонати и различни полимери.

Катодните инхибитори повишават степента на катодна поляризация, като по този начин намаляват общата скорост на корозия. Към тях спадат цинкът, калциевият бикарбонат, полифосфати, фосфонати, метални катиони и органични съединения. Катодните инхибитори са малко по-неефективни в сравнение с анодните.

Някои органични съединения имат силно инхибиращо действие, дължащо се на адсорбционни механизми. Многокомпонентните инхибитори имат изразен силен синергичен ефект при контролирането на корозията на стомана в системи за рециркулиращи охлаждащи води. В тази група се включват цинков хромат, цинков полифосфат, цинков фосфонат, различни комбинации от фосфати, смеси от полифосфати и фосфонати, и от поли- и ортофосфати.

От ключово значение за действието на корозионните инхибитори е поддържането на чисти метални повърхности на топлообменния апарат. Използваните инхибитори следва да са съвместими с процесните флуиди. При употребата им трябва да се следи и за негативни ефекти като запенване, понижаване на каталитичната активност, разлагане на друг материал или загуба в топлопреноса.

Корозионно устойчиви сплави

Корозията на някои метали се дължи на съдържанието на примеси в тях. Поради това, контролирането на примесите може да доведе до значително подобряване на корозионната устойчивост. От друга страна, добавянето на малки количества легиращи елементи може да повиши устойчивостта на метала към определени видове корозия. Прибавянето на мед към стомана например увеличава устойчивостта й на атмосферна корозия.

Освен изменянето на състава, ефект върху корозионните процеси може да има и повърхностното уякчаване чрез сачмоструйна обработка. Ако корозията на метал в дадена среда е неизбежна, следва да се използват боросиликатно стъкло, цирконий, тантал, тефлон и др., които са инертни към повечето химикали.

Защитни покрития

Нанасянето на защитно покритие върху конструкционния материал на топлообменника е основен метод за корозионен контрол. Пластмасовите покрития често са идеалното решение за системи за охлаждаща вода. Подходящи материали за тях са полиетилен, PVC, епоксидни смоли и полиамиди.

При определени условия пластмасовите покрития осигуряват високоефективна защита на податливи на корозия метали. За да е удовлетворяваща степента на защита, пластмасовите покрития трябва да са непорьозни и да са с достатъчна дебелина (0,15-0,25 mm). Защитният слой трябва да е и напълно непрекъснат, тъй като всяко нарушаване на покритието ще доведе до корозия на конструкционния материал на топлообменника.

Електрохимична защита

Катодната защита включва редуциране или елиминиране на корозията чрез прилагане на електрически ток или добавянето на по-аноден метал (анод за катодна защита) от този в галваничната двойка. Катодът е електродът, на който практически не протича процес на корозия.

От това следва, че ако всички анодни зони бъдат трансформирани в катодни, цялата структура ще стане катод и корозията ще бъде елиминирана. Куплирането на структурата с по-неблагороден метал позволява той да корозира постепенно, след което да бъде заменен. За анод за катодна защита често се използват цинк или магнезий.

Тъй като корозията е резултат от протичането на електрохимична реакция, пропускането на електрически ток ефективно може да предотврати появата й при изложени на корозивна среда метали. Методът включва прилагане на ток върху метала от източник, куплиран към неразтворим анод като платина, графит или феросилициева сплав. По този начин съоръжението се превръща в голям катод, което го прави неподатливо на корозия.

Анодната защита е доказан и икономически ефективен метод за корозионен контрол при топлообменници. Чрез него могат да бъдат защитени желязо, алуминий, никел, титан, цирконий и сплави, съдържащи големи количества от тези метали. Предимствата на тази техника включват ниски експлоатационни разходи и приложимост за широка гама от силно корозивни агенти. Сред недостатъците са това, че анодната защита не спира корозията напълно, а само я намалява до минимум, както и високите инсталационни разходи.

Мониторинг

Непрекъснатият режим на работа и изискванията за все по-висока ефективност поставят тежки изисквания за топлообменниците в различни индустриални сектори като рафинирането на нефт, химическата, хранително-вкусовата и целулозно-хартиената промишленост, електроцентралите и др. Промените в процесни параметри като температура, налягане, скорост и концентрация могат да доведат до ускоряване на корозията.

За да се предотврати повредата на съоръженията поради корозия, е от съществено значение да се следи въздействието на настъпилите изменения върху скоростта на корозионния процес. Мониторингът на корозията може да се използва за оптимизиране на процесните условия и постигане на максимални работни характеристики, без да се прави компромис със състоянието на оборудването.

Ефективният мониторинг на корозията е икономически оправдан за големи, комплексни инсталации, при които непрекъснатостта на производството е от ключово значение. Ползите от успешното следене на корозията включват възможност за предвиждането на проблеми, свързани с корозията, планиране на ремонтите и инспекцията на оборудването, избягване на непредвидени спирания на инсталацията и подобряване надеждността на съоръженията.