熱交換器の腐食破壊事例──重油触媒水冷器の腐食原因と対策

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この投稿は、2020年5月23日09:55に王巍2によって最終的に編集されました。重油触媒式軽ディーゼル油冷却器の腐食の原因と対策 1. 概要 某重油触媒式軽ディーゼル油冷却器で、仕様モデルはFB1000-240-40-6です。管束の材質は10#で、熱交換用の管の数は564本です。その運転条件は下表の通りです：運転条件　媒体温度（℃）　圧力MPa　管側　ケーシング側　管側　ケーシング側　管側　ケーシング側　軽油　循環水　120　30　20.3　2．使用状況　この冷却器の管群は約10ヶ月間使用されており、既に12本の熱交換管が漏れています。ウォータークーラーの使用において、このように腐食が進むのは珍しいことです。管束の外観から見ると、管板（オイル側）の金属表面には軽微な腐食が見られ、顕著な点食の凹みはなく、表面の錆生成物も多くない。管束の外壁（循環水側）の表面には大量のスケール層が付着しており、その下には厚いサビ層がある。サビ層の下の金属表面には多数の点食穴が現れており、元の金属表面が見えない部分もあって、金属表面は粗くなっている。3、管束の腐食原因分析 この管束の使用期間は約10ヶ月であり、多数の孔食が発生し腐食速度が非常に速かったため、通常の使用範囲外である。このような運転条件下における循環水のスケール除去と金属腐食の原因は以下の通りである：3.1 スケール発生の原因分析 多くの冷却器では水が管内を流れるため、冷却水中にカルシウムやマグネシウムイオン、酸性炭酸塩が含まれている。冷却水が熱伝達用の金属表面を流れると、以下の反応が起こる：
Mg²⁺ + HCO₃⁻ + H₂O → MgCO₃↓ + Mg(OH)₂
3MgCO₃ + CO₂ → …
Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → H₂O + CO₂ + CaCO₃↓

水中に腐食抑制剤としてポリリン酸塩が添加されている場合は、以下の反応が起こる：
3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ca(PO₄)₂↓

さらに、冷却水中に溶存している酸素も金属の腐食を引き起こし、錆を生成する。その反応は以下の通りである：
2Fe + 2H₂O + O₂ → 2Fe(OH)₂↓

これらの反応の結果、熱伝達面に徐々にスケールが付着し、同時に錆が生成される。冷却器が動作しているとき、スケールの影響により熱交換効率が著しく低下する。一部の個別の管束では、1年も経たないうちに熱交換管が詰まってしまった。 3.2 腐食原因の分析 金属表面における水による腐食は、主に電気化学的腐食であることが知られている。腐食電池において、陰極反応は主に酸素の還元であり、陽極反応は鉄の溶解である。スケールの下での金属の腐食は、金属自体の電気化学的腐食に自己触媒作用があるため、金属の腐食を促進する。 3.3 その他の要因の影響 この管束のシェル層には循環水が流れているため、循環水による管束外壁の腐食が促進される。その理由は、循環水の圧力と流量が一定の場合、ケーシング層には複数の折り返し板があるため、循環水はケーシング層内を流れ、流動形態から見ると折り返し板の方向に沿って流れることになり、管内を流れる循環水に比べて流速の抵抗が増加するからである。折り返し板に直角があるため、循環水の流れにデッドゾーンが生じ、加熱状態ではそのデッドゾーンでスケールが早く付着しやすくなります。また、管群の各管と折り返し板の間には隙間が存在し、その隙間が隙間腐食を引き起こす幾何学的寸法に合致している場合、電気化学的な隙間腐食が生じやすくなる。また、循環水量が減少すると、スケールが付着する速度がさらに加速される。 したがって、現場での外壁の腐食状況を見ると、循環水が管内を流れる場合の腐食よりもはるかに深刻です。4、管束のスケールおよび錆層が熱伝達に与える影響 スケールや金属の腐食生成物は、金属に比べて熱伝導率がはるかに低く、一般的には0.058～5.8W/(m•℃)である。金属製の鋼管の熱伝導率はスケールのそれよりも6～10倍高く、つまり同じ伝熱面積であれば、スケールの熱抵抗は金属の6～10倍大きくなる。 したがって、循環水がケーシング層を流れて熱媒体と熱交換する場合、装置の運転開始時は確かにチューブ層を流れる方が効果的です。しかし、一定期間使用すると、ケーシングの循環水によるスケールの生成速度が速くなるため、その熱交換上の利点は変わってしまう。したがって、管の外壁に1～2ミリメートルの厚さの錆が付着すると、その熱抵抗は非常に大きくなる。したがって、このような管束を1サイクル分の時間だけ使用した場合、その熱交換効果は管内を循環する水の場合ほど良くないのである。だから、熱交換効率は低いのです。5、結論 上記の分析から、一つには水冷器のケーシング内を循環する水が管群の外壁の金属表面の腐食を促進し、使用寿命が短くなるということである。二つ目は、シェル層を流れる循環水の方がチューブ層を流れる循環水に比べてスケールが付きやすく、熱抵抗も高くなるため、チューブ内を流れる循環水の場合よりも流速が速くなり、1サイクルあたりの平均熱効率も低くなる。 上記の分析を総合的に考慮すると、この水冷器の工程条件における循環水は管内流れに変更すべきであり、これにより管束の使用寿命が延び、水冷器の熱交換性能が維持される。