【壓縮機網】摘要：對壓縮機冷卻器的蝕損問題進行分析，并提出防范措施。
　　關鍵詞：冷卻器  損壞原因  防范措施

　　1、前言
　　壓縮機廣泛應用于化工、礦山、石油、冶金等工業部門，具有類似人類心臟一樣重要的作用。由于氣體壓縮過程是放熱的，為保證壓縮機在允許的工作溫度狀態下運行，必須配置冷卻器降低氣體溫度。冷卻器是壓縮機安全運行不可缺少的設備之一，由于冷卻器損壞而造成壓縮機停機事故時有發生，防止冷卻器損壞對保證壓縮機安全、正常運轉顯的尤為重要。本文擬對壓縮機冷卻器的損壞原因作出分析，提出一些防范措施，供壓縮機使用單位參考借鑒。

　　2、腐蝕
　　腐蝕是金屬蝕損z*重要的一種原因，資料表明，由于各種原因引起的腐蝕在壓力容器破壞中占1/3以上。
　　2.1 金屬的氧化腐蝕
　　各類鋼、鐵或有色金屬都會氧化，但氧化并不一定會造成嚴重的腐蝕，一般說來，金屬表面氧化形成的氧化膜可以阻礙氧化的繼續進行。例如鋁氧化后在其表面形成一層氧化膜，保護內部不再氧化。氧化膜如不能均勻和牢固地貼附在金屬表面上時，或者氧化膜與金屬本身的膨脹系數相差較大，因而容易脫落時，氧化就要繼續進行。環境溫度越高，氧化越劇烈。一般鋼材，溫度低于570℃時，氧化膜主要由FeO組成，其化學反應方程式為：     ，其晶格點陣有空位，不能阻止金屬離子膜外擴散，因而氧化現象很嚴重。
　　2.2 氫腐蝕
　　處于含氫介質中的鋼材，壓縮機行業中尤以氫氣壓縮機為重點，氫分子或氫原子與鋼材中含碳或滲碳、游離碳發生反應，生成甲烷氣，化學反應式為：Fe3C+2H2=3Fe+CH4↑，此時鋼材中產生很大內壓力，使材料的機械性能造成顯著降低，甚至損壞。這種現象常稱氫腐蝕或稱氫脆。普通碳素鋼材抗氫腐蝕能力較差，在不同氫分壓下氫腐蝕的開始溫度約為200-300℃，如在鋼中加入一些其他金屬元素，例如Cr、Ni、Mo、V、W、Ti等，即可提高其抗腐蝕性能。
　　2.3 應力腐蝕
　　冷卻器由于制造、安裝工作等方面原因產生的應力，可分為負荷應力、殘余應力和熱應力三類。負荷應力主要來自工作中的內應力或振動。殘余應力來自冷卻器脹管、焊接、穿管和加工過程中形成的應力。熱應力來源于管子與殼體間的溫差，如管板的軸向或徑向溫差、流場和溫度場分布不均溫差，以及結垢引起的局部壁面高溫產生的溫差應力。
　　在應力的作用下，一部分鋼材和介質之間將會發生脆裂。例如：低碳鋼在應力作用下遇到OH-或NO2-的苛性脆化，奧氏體合金鋼遇到Cl-或OH-時在拉應力作用下有可能產生應力腐蝕破裂。有資料介紹應力腐蝕占金屬腐蝕的一半左右。
　　2.4 縫隙腐蝕
　　管殼式冷卻器中由于管板與冷卻管子連接面上存在間隙，因而發生劇烈腐蝕而造成冷卻器損壞的現象特別常見。對于縫隙腐蝕的機理認識有兩種觀點，一種觀點認為由于在縫隙內的溶液流動或擴散受阻，使縫隙內外形成了金屬離子濃差電池。另一種觀點則認為縫隙內由于O2濃度和PH值降低或者侵蝕性陰離子（如Cl-）的濃縮破壞了縫隙內金屬氧化膜的保護作用，其結果也是形成縫隙內外的濃差電池。
　　2.5 其他腐蝕
　　冷卻器部件中的法蘭與墊片聯接處的腐蝕以及水垢沉積物產生的腐蝕與縫隙腐蝕相近似。當通過冷卻器的介質中含有S的成份時，也會發生硫腐蝕，其機理是SO2在某些條件下產生SO3，當溫度降至酸露點時，就會造成硫酸腐蝕（H2SO4）。
　　立式冷卻器出氣口如不設在頂部，同時也不加設放氣口的話，冷卻器頂部往往會形成積氣現象，這也是造成腐蝕的原因之一。積氣會造成局部金屬壁面溫度升高而產生熱應力、結垢以及氯離子等侵蝕性離子濃縮，這些因素都將導致腐蝕速度加快。

　　3、沖蝕
　　在冷卻器中由于氣體高速流動沖刷傳熱面而引起的磨損稱為沖蝕。這種磨損隨著流速的增高而加大，尤其是當流動介質中含有固體細粒時，沖蝕速度將迅速加快，其機理與噴砂除銹相類似。值得著重指出的是，沖蝕較厲害的部位多發生在氣流流向改變處。例如：由幾段組成的小列管冷卻器的彎管部分，沖蝕比較嚴重，對于套管式冷卻器，由于多用于高壓級，質量流速大，更容易發生沖蝕損壞。因結構原因，彎管數量較多時，在設計制造過程中更應充分考慮沖蝕損壞的因素。

　　4、磨損和微振磨損
　　壓縮機在運行過程中由于慣性力和慣性力矩的數值和方向作周期變化，引起整個機組（包括壓縮機主機、基礎、管路和輔機設備）振動?；钊綁嚎s機由于其工作原理是通過容積的變化來提高工藝氣體壓力，使得工藝氣體吸排氣交替進行，這樣就形成了脈動氣流，脈動的氣流也可能引起振動。對于管殼式冷卻器，即使進入冷卻器的氣流是完全穩定的，在冷卻器內也會產生振動，這種振動一般認為是由于殼程流體橫向沖刷管束時產生的“漩渦脫離（卡門渦流）”所引起。漩渦脫離引起速度分布和壓力分布的周期性波動，當波動頻率接近管子固有頻率時，則將激起大幅度的共振。由于振動或微振動引起折流板孔與管子之間產生摩擦、撞擊而使管壁磨損，大幅度共振易造成管子與管板接頭處斷裂，這些都是冷卻器破壞的重要原因。

　　5、防止蝕損的措施
　　5.1 防止蝕損的措施
　?。?）采用耐腐、耐熱金屬材料
　　經驗表明，含Cr的合金鋼有良好的抗氧化、氫蝕等性能。0Cr17Ni13Mo2Ti以及00Cr18Ni5Mo2Si2雙相不銹鋼比１C18Ni9Ti更能有效防止由于氯離子和拉應力作用形成的應力腐蝕破裂（ＳＣＣ）。
　?。?）增加部件壁厚，加覆蓋層或雙金屬壁面
　　對于腐蝕速度很慢的均勻腐蝕，采用碳鋼等便宜的材料，但使部件厚度增加，即留出較大的腐蝕裕量是合適的。然而對于凹坑形腐蝕就必須使用耐腐蝕金屬或加覆蓋層，覆蓋厚度可由金屬鍍敷，也可由聚四氟乙烯等作金屬涂層構成。如果一種金屬不能同時耐兩種介質的侵蝕時，也可采用雙金屬管板或管子。
　?。?）加設隔熱保護層及入口保護套管
　　隔熱層可降低管板的溫度和軸向溫差，保護套管與傳熱管之間的氣層間隙可起隔熱作用，降低入口端的管壁溫度，金屬壁面溫度的降低將大大減慢腐蝕速度。
　　（4）嚴格控制加工制造技術，消除應力影響
　　經驗表明，采用氬弧焊、用通水焊接或噴丸處理可使殘余應力為正應力而不是拉應力；用熱處理或機械振動的方法使應力松弛也可以消除殘余應力影響。采用熱補償措施（例如加設膨脹節）則可以消除熱應力的影響。
　　管子與管板的連接宜采用脹-焊-脹或內孔焊方法。焊前經輕脹定位，保證管子與管孔的對中性，焊后輕脹或緊脹以消除間隙和焊接殘余應力。這樣可降低管孔加工精度并且不需要開脹槽，從而減少了加工費用，在經濟方面考慮也是可行的。采用內孔焊接方法可以消除間隙腐蝕，是一種較好的焊接方法。
　　立式換熱器殼側上部常有積氣存在，造成局部溫度過高，從而加劇了腐蝕進程。排除積氣的方法除在管板上開氣孔，利用上部排泄口抽吸作用外，也可采取本體傾斜或錐形管板等措施。
　?。?）對侵蝕性介質進行處理
　　對于z*常見的水冷式冷卻器，腐蝕多發生于水側，應對冷卻水進行預處理，盡量降低其硬度、堿度和氯離子的含量。在有少量氯離子存在的情況下要特別注意消除管子與管板接口處的間隙和氣相死區，同時注意定時或連續排污，這樣可以防止氯離子的濃縮而導至SCC破壞；消除拉應力和在水內加Na2PO4等緩蝕劑，以及對水除氧等，也都有助于在存在氯離子條件下時SCC破壞的消除。
　　5.2 防止沖蝕的措施
　?。?）限制流速
　　一般可通過限制流速的辦法來解決沖蝕問題，在活塞式壓縮機冷卻器設備中，許用的氣流速度按工作壓力來選擇，如表1。

　　較輕的氣體可取較高的平均氣流速度。如氮氫混合氣可比上述值高1.5倍，氫氣可以提高2.5倍。冷卻水的流速一般按1～1.5m/s選取，z*高流速不超過2m/s。
　?。?）防沖與導流
　　管殼式冷卻器設計時為防止沖蝕造成冷卻器破壞，應考慮加設防沖板和導流筒等結構。
　　a）管程設置防沖板
　　當管程采用軸向入口接管或換熱管內流體流速超過3m/s時，應設置防沖板，以減少流體的不均勻分布對換熱管端的沖蝕。
　　b）殼程設置防沖板或倒流管
　　當殼程流體是有腐蝕或磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物時，應設置防沖板。當殼程進出口接管距管板較遠，液體停滯區過大時應設置導流管，以減少流體停滯區，增加換熱管的有效換熱長度。當殼程進口管流體為非腐蝕性的單項流體，且ρν2＞2230kg/m?s2時（ρ：流體密度，kg/m3；ν：流體流速，m/s），應在殼程進口管處設置防沖板或導流管。當殼程進口管流體為其它液體（包括沸點下的液體），且ρν2＞740kg/m?s2時，應在殼程進口管處設置防沖板或導流管。
　　c）防沖板
　　防沖板表面到圓筒內壁的距離，一般為接管外徑的1/4～1/3。防沖板的直徑或邊長應大于接管外徑50mm。
　　d）導流管
　　一般有內導流管和外導流管兩種形式。
　　內導流管，導流管表面到殼體圓筒內壁的距離一般應大于接管外徑的1/3，導流管端部至管板的距離，應使該處的流體面積不小于導流管的外側流體面積。
　　外導流管，內襯管內表面到外導流管的內表面間距：接管外徑d≤200mm時，間距為50mm；d＞200mm時，間距為100mm。立式外導流換熱器，應在內襯管下端開淚孔。
　　e）擴大管
　　必要時蒸汽進口管可采用擴大管，以起緩沖作用，減輕沖蝕造成的損壞。
　　f）彎管
　　氣流轉向處的彎管取較大的彎曲半徑，管壁和氣體接觸面盡可能要求光滑，無修飾，以減輕流體與壁面的摩擦，推薦其粗糙度為δ≤0.2mm。
　　5.3 防止腐蝕和微振腐蝕的措施
　　（1）增加結構的穩定性，并盡量消除內外部引入的振源。在冷卻器設計時，一定要使結構合理，增加結構的穩定性，盡量消除由外部引入的振源，這對減少腐蝕和微振磨蝕顯得尤為重要。例如：浮頭式冷卻器由于振動造成腐蝕損壞的事例很多，根據結構特點應設置合理結構，防止冷卻器芯子部件與筒體碰撞，造成腐蝕損壞。
　?。?）控制殼程流體流速，使激勵頻率大大低于固有頻率。采用盤、環形折流板比弓型折流板能更有效的減輕振動。
　?。?）大型冷卻器在折流板缺口區不裝設冷卻管子，使所裝管子都有眾多的折流板支撐。
　?。?）殼程流體入口采用擴管或在入口加裝防沖板或導流管。
　?。?）采用合適的折流板或支撐板的間距，并控制它們與管子之間的間隙，折流板的z*小間距應不小于圓筒內直徑的1/5，且不小于50mm，z*大間距應不大于圓筒內直徑。支撐板在沒有折流板時應考慮裝設，特別是較長的臥式冷卻器，支撐板結構與弓形折流板相似，呈弓形或半圓型。

　　參考文獻
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　　[2] GB151-1999鋼制管殼式換熱器[S]
　　[3]郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京.機械工業出版社，2000.
 

來源：沈陽遠大壓縮機股份有限公司 白福慶 周暢