船用换热器防腐设计

引言

近年来，随着船舶运营时间的增加，船用换热器陆续出现泄漏问题，严重影响着船舶运行的安全性。根据近年来船用换热器损伤的统计情况，船用换热器损伤的主要形式为管道内壁点蚀破损和管端冲蚀损坏。同时，船用换热器出现损伤的部位主要集中在进水腔室入口管段处。图1和图2为某采用BFe30材质换热管的船用换热器管内壁及管端损坏情况图。

目前，船用换热器的换热管材质主要为不锈钢、BFe10铜合金和BFe30铜合金。近年来，随着对换热器腐蚀问题的重视，船用换热器开始越来越多地采用钛管。船用换热器防腐设计一般通过选择抗海水腐蚀材料的换热管以及牺牲阳极保护措施进行防腐，阴极电流保护由于设计不当时易带来负面影响而较少被采用。

本文针对船用换热器损坏的主要因素，重点对船用换热器换热管材质选择及防腐措施设计进行论述。

1、船用换热器选材分析

换热器换热管腐蚀方式主要包含点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀和磨损腐蚀，各类腐蚀相关定义见GB/T10123—2022《金属和合金的腐蚀术语》。在各类腐蚀问题中，侵蚀性离子点蚀和冲蚀是引起换热器损坏的主要因素。而在各类侵蚀性离子中，氯离子腐蚀又是破坏换热管材质钝化膜最重要的侵蚀性离子。

船舶换热器大多采用海水作为冷却水，海水中侵蚀性氯离子、固体泥沙和微生物较多，在换热器选材过程中应着重考虑换热管材质对氯离子点蚀和冲蚀腐蚀的耐受性。

1.1铜合金材质

铜合金具有优良的导热能力，可有效减小换热器的换热面积，是目前在役船舶广泛使用的换热管材质。目前船用铜合金换热管主要以BFe10和BFe30为主，以前也曾使用HAl77材质换热管。

表1列出了常用铜合金换热器推荐使用水质条件。从表1可看出：HAl77和BFe30具有最强的耐盐蚀能力，但HAl77耐冲蚀能力较差，其可使用流速也较小。

需注意的是，铜合金管因其自身化学性质，对表2中的物质或离子具有较差的耐腐蚀性，故这些物质或离子所在环境中不宜使用铜合金管。

为了追求较强的换热能力及较小的换热器体积，同时为了防止生物附着，船用换热器中一般采用较高的换热管内冷却水流速，这样就给换热器带来了严重的冲蚀损坏风险。采用HAl77换热管的换热器在使用几年后频繁出现泄漏，目前已基本被淘汰。BFe30以其较强的耐离子腐蚀能力及耐冲刷能力，在船用换热器中被大量使用，但随着运营时间的增加，采用BFe30换热管的换热器近年也频繁出现损伤和泄漏事故。基于采用铜合金管的船用换热器在实船应用中的频发问题，目前已开始寻找其他材质来替换铜合金管作为换热管材质。

1.2奥氏体不锈钢材质

奥氏体不锈钢材质作为一种优良的耐蚀材料且价格低廉而被广泛使用，在船用环境中也被广泛用于非海水介质管路和换热器，以前也被用于船上海水储存容器。船用换热器采用的不锈钢材质主要以奥氏体钢S304系和S316系为主。在各类腐蚀因素中，奥氏体不锈钢受氯离子应力腐蚀的破坏最大，各国各行业都对不锈钢耐氯离子限度有自己的经验值，如美国合成氨工业将316不锈钢发生孔蚀及应力腐蚀开裂的限值定为500mg/L。奥氏体不锈钢中主要的防锈材质为含有铬及镍的材料，可在不锈钢表面形成致密的氧化物薄膜，以阻挡不锈钢材质被氧化。然而，氯离子对不锈钢表面的氧化物薄膜具有较强破坏能力。

JARGELIUS-PETTERSSON[1]研究发现，不锈钢材料中的铬、钼和氮对抵抗局部点腐蚀具有抵抗作用，其综合影响可用耐点腐蚀能力指数（PittingResistanceEquivalentNumber,PREN）NPRE表示，计算公式为

N_PRE=C_Cr+3.3C_Mo+16C_N（1）

式中：N_PRE为耐点腐蚀能力指数；C_Cr为材料中铬元素含量，%；C_Mo为材料中钼元素含量，%；C_N为材料中氮元素含量。

根据JARGELIUS-PETTERSSON[1]所述，铬及钼是奥氏体不锈钢抗点腐蚀的主要因素，当钼含量超过3%时，可有效阻止Cl⁻向材料基体渗透而引起腐蚀。

常用不锈钢管使用氯离子含量限值见表3。

不锈钢S316系相比S304系的材质组成多了钼元素，S317系相比S316系的不锈钢材质组成中提高了镍和钼的含量。因此在常用不锈钢材质中，S317具有更高的抗点腐蚀能力。值得说明的是，S317系不锈钢在无污染的咸水中使用氯离子的上限可达5000mg/L。

不锈钢材质在船用设备中被大量运用，尤其是具有低廉价格的S304系不锈钢。但船用淡水环境中，氯离子含量也极为可能超过不锈钢适用限值，在设备材料选择时应综合论证，以设备工作时可能遇到的最差水质条件来分析和选择材质。

1.3钛材

钛是化学性质活泼的金属材料，易与氧生成稳定的氧化物薄膜以阻止钛被腐蚀，因此钛合金具有较强的耐腐蚀性和较强的抗海水冲刷性能，其特性使其极为适合应用于采用海水作为冷却介质的换热器内。目前，钛管换热器生产制造技术已相当成熟并获得了大量应用，在我国滨海电厂及季节性海水倒灌的应用场景中，使用TA2材质冷凝管的换热器，经过长期的实际应用考验，展现出了优异的抗海水腐蚀性能。

换热器采用钛管时，应注意钛管的一些不利特性，具体为：由于钛管在海水环境中容易附着微生物和污泥，易导致换热能力下降，同时，钛和氢具有较强的亲和力，实际应用中较其他材质更易发生析氢现象；钛具有较高的腐蚀电位，在钛管与管板和隔板等的连接处易发生电偶腐蚀；因钛的弹性模量较低，采用钛管做冷凝器的换热器需要较小的支撑板间距及较厚的换热管壁厚。

1.4超铁素体不锈钢材质

超铁素体不锈钢作为目前国际上使用的一种海水介质用不锈钢材质，具有优良特性，本文以使用较广的材质Sea-Cure（S44660）为例进行分析。根据梁磊等[2]的研究，3种材质耐含砂海水连续冲刷性能及耐腐蚀性能见表4。

从表4的试验数据可知，Sea-Cure材质的耐冲蚀性能明显优于TA2。在抗腐蚀性能方面，Sea-Cure性能与TA2则相近，美国等国家长期的运行试验也证明了Sea-Cure在实际海水环境中具有不弱于TA2的优秀耐腐蚀性能。另外，Sea-Cure在海水中允许的最大介质流速亦高于钛材[3]。

此外，Sea-Cure相比钛材具有更高的强度，其材料基本性能对比见表5。Sea-Cure材质相比常用的TA2和BFe30材质具有更高的屈服强度，因此采用Sea-Cure材质作为换热管材质时可采用更薄的壁厚及更大的支撑板间距，换热器结构也更易于设计。

2、船用换热器防腐设计

2.1换热管材质的选择

船用换热器的工作条件较恶劣，海水中的盐分尤其是氯离子含量较大，海水中氯离子含量的平均值为19000mg/L，且受海域和环境条件等的影响而不同。另外，海水中含有大量海洋生物和泥砂等物质。船用换热器采用海水做冷却介质时，应充分考虑材质的耐腐蚀和冲蚀能力。在目前常用换热器材质中，钛材及超铁素体不锈钢材质已被验证是在海水环境中具有优良性能的材质。船用换热器设计过程可综合考虑材料强度、设备质量和成本造价等3个主要因素，对比分析钛材及超铁素体不锈钢的优劣，根据实际需求，选取最佳换热器材质。

2.2冲刷腐蚀

冲刷腐蚀作为船用换热器损坏的主要原因之一，主要发生在换热管进水管端。冲刷腐蚀直接与冷却水中磨蚀性物质及冷却水流速相关，换热器设计过程中对于有磨蚀的液体，包括沸点下的液体，当其壳程进口管的流体ρν²＞740kg/(m·s²)（ρ为密度，kg/m³；v为流速，m/s）时，或在非磨蚀的单向流体ρν²＞2230kg/(m·s²）时应在壳程处设置防冲板或导流筒。目前已装船的换热器中，受制于船舶空间限制，作为换热器冷却用的海水过滤精度一般不高，冷却用海水中固体杂质较多；同时，换热器为了缩小尺寸，一般采用较大的进口流速且在换热器端盖中很少设置挡流板结构，这些因素导致了船用换热器严重的冲蚀现象频繁发生。鉴于采用海水做冷却介质的船用换热器的工作条件较为恶劣，在换热器的设计过程中，应在换热器入口前设置滤器，同时控制管端流速。此外，在换热器端盖中也应设置挡板等措施以有效减缓冲刷腐蚀的作用。

2.3电偶腐蚀

电偶腐蚀又称接触腐蚀。在电解质中，2种不同材质的金属相互接触会发生电化学腐蚀，因电偶腐蚀具有腐蚀速度快的特点，在换热器设计过程中应尤其被关注以防止发生电偶腐蚀。换热器设计过程中，当管板材质与换热管材质不一致时，应考虑电偶腐蚀防护，一般可采用管板涂层和电化学保护等措施。当采用钛管换热管时，因钛具有较高的腐蚀电位，应着重考虑电偶腐蚀影响，钛管换热器的管板也应采用钛材或者复合钛材。

2.4沉积物下腐蚀

沉积物下腐蚀是冷凝器腐蚀的形态之一，主成因是：冷凝器内的污泥和微生物等杂质在管内壁形成沉积物，导致溶氧差异和介质密度差，进而导致局部腐蚀，金属被氧化成正价离子，负离子使溶液局部酸化，加速腐蚀进程。同时，冷却管表面沉积物还会导致换热器换热性能下降。船用冷凝器因其冷却介质为海水，冷凝管极易在较短时间形成污泥等沉积物，设计过程中应考虑换热管的清洗设计，并在运行中定期清洗保护。

3、结论

1）船用换热器换热管选材过程中应根据冷却水质条件进行选择，当采用海水做冷却水时，换热管建议采用TA2材质或超铁素不锈钢材质。

2）船用换热器设计过程中应关注防冲刷腐蚀结构的设计，换热器进水端盖内宜设置防冲挡板，同时冷却水系统宜设置有效过滤措施。

3）换热器设计过程中应注意电偶腐蚀的防护，尤其是采用钛材时。

参考文献：

[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, 陈胤强, 李政, 等. 沿海电厂凝汽器用管材 研究[J]. 中国电力, 2009, 42(1): 66-69.

[3] 余存烨, 胡憔本. 超铁素体不锈钢的进展与展望[J].石油化工腐蚀与防护, 2008, 25(4): 5-7.

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