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压缩机冷却器的损坏原因及防范措施
　　1、 前言
　　压缩机广泛应用于化工、 矿山、 石油、 冶金等工业部门, 具有类似人类心脏一样重要的作用。由于气体压缩过程是放热的, 为保证压缩机在允许的工作温度状态下运行, 必须配置冷却器降低气体温度。冷却器是压缩机安全运行不可缺少的设备之一, 由于冷却器损坏而造成压缩机停机事故时有发生, 防止冷却器损坏对保证压缩机安全、 正常运转显的尤为重要。本文拟对压缩机冷却器的损坏原因作出分析, 提出一些防范措施, 供压缩机使用单位参考借鉴。
　　2、 腐蚀
　　腐蚀是金属蚀损最重要的一种原因, 资料表明, 由于各种原因引起的腐蚀在压力容器破坏中占1/3以上。
　　2.1 金属的氧化腐蚀
　　各类钢、 铁或有色金属都会氧化, 但氧化并不一定会造成严重的腐蚀, 一般说来, 金属表面氧化形成的氧化膜能够阻碍氧化的继续进行。例如铝氧化后在其表面形成一层氧化膜, 保护内部不再氧化。氧化膜如不能均匀和牢固地贴附在金属表面上时, 或者氧化膜与金属本身的膨胀系数相差较大, 因而容易脱落时, 氧化就要继续进行。环境温度越高, 氧化越剧烈。一般钢材, 温度低于570℃时, 氧化膜主要由FeO组成, 其化学反应方程式为:

, 其晶格点阵有空位, 不能阻止金属离子膜外扩散, 因而氧化现象很严重。
　　2.2 氢腐蚀
　　处于含氢介质中的钢材, 压缩机行业中尤以氢气压缩机为重点, 氢分子或氢原子与钢材中含碳或渗碳、 游离碳发生反应, 生成甲烷气, 化学反应式为: Fe3C+2H2=3Fe+CH4↑, 此时钢材中产生很大内压力, 使材料的机械性能造成显著降低, 甚至损坏。这种现象常称氢腐蚀或称氢脆。普通碳素钢材抗氢腐蚀能力较差, 在不同氢分压下氢腐蚀的开始温度约为200-300℃, 如在钢中加入一些其它金属元素, 例如Cr、 Ni、 Mo、 V、 W、 Ti等, 即可提高其抗腐蚀性能。
　　2.3 应力腐蚀
　　冷却器由于制造、 安装工作等方面原因产生的应力, 可分为负荷应力、 残余应力和热应力三类。负荷应力主要来自工作中的内应力或振动。残余应力来自冷却器胀管、 焊接、 穿管和加工过程中形成的应力。热应力来源于管子与壳体间的温差, 如管板的轴向或径向温差、 流场和温度场分布不均温差, 以及结垢引起的局部壁面高温产生的温差应力。
　　在应力的作用下, 一部分钢材和介质之间将会发生脆裂。例如: 低碳钢在应力作用下遇到OH-或NO2-的苛性脆化, 奥氏体合金钢遇到Cl-或OH-时在拉应力作用下有可能产生应力腐蚀破裂。有资料介绍应力腐蚀占金属腐蚀的一半左右。
　　2.4 缝隙腐蚀
　　管壳式冷却器中由于管板与冷却管子连接面上存在间隙, 因而发生剧烈腐蚀而造成冷却器损坏的现象特别常见。对于缝隙腐蚀的机理认识有两种观点, 一种观点认为由于在缝隙内的溶液流动或扩散受阻, 使缝隙内外形成了金属离子浓差电池。另一种观点则认为缝隙内由于O2浓度和PH值降低或者侵蚀性阴离子(如 Cl-)的浓缩破坏了缝隙内金属氧化膜的保护作用, 其结果也是形成缝隙内外的浓差电池。
　　2.5 其它腐蚀
　　冷却器部件中的法兰与垫片联接处的腐蚀以及水垢沉积物产生的腐蚀与缝隙腐蚀相近似。当经过冷却器的介质
　　中含有S的成份时, 也会发生硫腐蚀, 其机理是SO2在某些条件下产生SO3, 当温度降至酸露点时, 就会造成硫酸腐蚀(H2SO4)。
　　立式冷却器出气口如不设在顶部, 同时也不加设放气口的话, 冷却器顶部往往会形成积气现象, 这也是造成腐蚀的原因之一。积气会造成局部金属壁面温度升高而产生热应力、 结垢以及氯离子等侵蚀性离子浓缩, 这些因素都将导致腐蚀速度加快。
　　3、 冲蚀
　　在冷却器中由于气体高速流动冲刷传热面而引起的磨损称为冲蚀。这种磨损随着流速的增高而加大, 特别是当流动介质中含有固体细粒时, 冲蚀速度将迅速加快, 其机理与喷砂除锈相类似。值得着重指出的是, 冲蚀较厉害的部位多发生在气流流向改变处。例如: 由几段组成的小列管冷却器的弯管部分, 冲蚀比较严重, 对于套管式冷却器, 由于多用于高压级, 质量流速大, 更容易发生冲蚀损坏。因结构原因, 弯管数量较多时, 在设计制造过程中更应充分考虑冲蚀损坏的因素。
　　4、 磨损和微振磨损
　　压缩机在运行过程中由于惯性力和惯性力矩的数值和方向作周期变化, 引起整个机组(包括压缩机主机、 基础、 管路和辅机设备)振动。活塞式压缩机由于其工作原理是经过容积的变化来提高工艺气体压力, 使得工艺气体吸排气交替进行, 这样就形成了脉动气流, 脉动的气流也可能引起振动。对于管壳式冷却器, 即使进入冷却器的气流是完全稳定的, 在冷却器内也会产生振动, 这种振动一般认为是由于壳程流体横向冲刷管束时产生的”漩涡脱离(卡门涡流)”所引起。漩涡脱离引起速度分布和压力分布的周期性波动, 当波动频率接近管子固有频率时, 则将激起大幅度的共振。由于振动或微振动引起折流板孔与管子之间产生摩擦、 撞击而使管壁磨损, 大幅度共振易造成管子与管板接头处断裂, 这些都是冷却器破坏的重要原因。
　　5、 防止蚀损的措施
　　5.1 防止蚀损的措施
　　(1)采用耐腐、 耐热金属材料
　　经验表明, 含Cr的合金钢有良好的抗氧化、 氢蚀等性能。0Cr17Ni13Mo2Ti以及00Cr18Ni5Mo2Si2双相不锈钢比1C18Ni9Ti更能有效防止由于氯离子和拉应力作用形成的应力腐蚀破裂(SCC)。
　　(2)增加部件壁厚, 加覆盖层或双金属壁面
　　对于腐蚀速度很慢的均匀腐蚀, 采用碳钢等便宜的材料, 但使部件厚度增加, 即留出较大的腐蚀裕量是合适的。然而对于凹坑形腐蚀就必须使用耐腐蚀金属或加覆盖层, 覆盖厚度可由金属镀敷, 也可由聚四氟乙烯等作金属涂层构成。如果一种金属不能同时耐两种介质的侵蚀时, 也可采用双金属管板或管子。
　　(3)加设隔热保护层及入口保护套管
　　隔热层可降低管板的温度和轴向温差, 保护套管与传热管之间的气层间隙可起隔热作用, 降低入口端的管壁温度, 金属壁面温度的降低将大大减慢腐蚀速度。
　　(4)严格控制加工制造技术, 消除应力影响
　　经验表明, 采用氩弧焊、 用通水焊接或喷丸处理可使残余应力为正应力而不是拉应力;用热处理或机械振动的方法使应力松弛也能够消除残余应力影响。采用热补偿措施(例如加设膨胀节)则能够消除热应力的影响。
　　管子与管板的连接宜采用胀-焊-胀或内孔焊方法。焊前经轻胀定位, 保证管子与管孔的对中性, 焊后轻胀或紧胀以消除间隙和焊接残余应力。这样可降低管孔加工精度而且不需要开胀槽, 从而减少了加工费用, 在经济方面考虑也是可行的。采用内孔焊接方法能够消除间隙腐蚀, 是一种较好的焊接方法。
　　立式换热器壳侧上部常有积气存在, 造成局部温度过高, 从而加剧了腐蚀进程。排除积气的方法除在管板上开气孔, 利用上部排泄口抽吸作用外, 也可采取本体倾斜或锥形管板等措施。
　　(5)对侵蚀性介质进行处理
　　对于最常见的水冷式冷却器, 腐蚀多发生于水侧, 应对冷却水进行预处理, 尽量降低其硬度、 碱度和氯离子的含量。在有少量氯离子存在的情况下要特别注意消除管子与管板接口处的间隙和气相死区, 同时注意定时或连续排污, 这样能够防止氯离子的浓缩而导至SCC破坏;消除拉应力和在水内加Na2PO4等缓蚀剂, 以及对水除氧等, 也都有助于在存在氯离子条件下时SCC破坏的消除。
　　5.2 防止冲蚀的措施
　　(1)限制流速
　　一般可经过限制流速的办法来解决冲蚀问题, 在活塞式压缩机冷却器设备中, 许用的气流速度按工作压力来选择, 如表1。　　

　　较轻的气体可取较高的平均气流速度。如氮氢混合气可比上述值高1.5倍, 氢气能够提高2.5倍。冷却水的流速一般按1～1.5m/s选取, 最高流速不超过2m/s。
　　(2)防冲与导流
　　管壳式冷却器设计时为防止冲蚀造成冷却器破坏, 应考虑加设防冲板和导流筒等结构。
　　a)管程设置防冲板
　　当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时, 应设置防冲板, 以减少流体的不均匀分布对换热管端的冲蚀。
　　b)壳程设置防冲板或倒流管
　　当壳程流体是有腐蚀或磨蚀的气体、 蒸汽及汽液混合物时, 应设置防冲板。当壳程进出口接管距管板较远, 液体停滞区过大时应设置导流管, 以减少流体停滞区, 增加换热管的有效换热长度。当壳程进口管流体为非腐蚀性的单项流体, 且ρν2>2230kg/m?s2时(ρ: 流体密度, kg/m3;ν: 流体流速, m/s), 应在壳程进口管处设置防冲板或导流管。当壳程进口管流体为其它液体(包括沸点下的液体), 且ρν2>740kg/m?s2时, 应在壳程进口管处设置防冲板或导流管。
　　c)防冲板
　　防冲板表面到圆筒内壁的距离, 一般为接管外径的1/4～1/3。防冲板的直径或边长应大于接管外径50mm。
　　d)导流管
　　一般有内导流管和外导流管两种形式。
　　内导流管, 导流管表面到壳体圆筒内壁的距离一般应大于接管外径的1/3, 导流管端部至管板的距离, 应使该处的流体面积不小于导流管的外侧流体面积。
　　外导流管, 内衬管内表面到外导流管的内表面间距: 接管外径d≤200mm时, 间距为50mm;d>200mm时, 间距为100mm。立式外导流换热器, 应在内衬管下端开泪孔。
　　e)扩大管
　　必要时蒸汽进口管可采用扩大管, 以起缓冲作用, 减轻冲蚀造成的损坏。
　　f)弯管
　　气流转向处的弯管取较大的弯曲半径, 管壁和气体接触面尽可能要求光滑, 无修饰, 以减轻流体与壁面的摩擦, 推荐其粗糙度为δ≤0.2mm。
　　5.3 防止腐蚀和微振腐蚀的措施
　　(1)增加结构的稳定性, 并尽量消除内外部引入的振源。在冷却器设计时, 一定要使结构合理, 增加结构的稳定性, 尽量消除由外部引入的振源, 这对减少腐蚀和微振磨蚀显得尤为重要。例如: 浮头式冷却器由于振动造成腐蚀损坏的事例很多, 根据结构特点应设置合理结构, 防止冷却器芯子部件与筒体碰撞, 造成腐蚀损坏。
　　(2)控制壳程流体流速, 使激励频率大大低于固有频率。采用盘、 环形折流板比弓型折流板能更有效的减轻振动。
　　(3)大型冷却器在折流板缺口区不装设冷却管子, 使所装管子都有众多的折流板支撑。
　　(4)壳程流体入口采用扩管或在入口加装防冲板或导流管。
　　(5)采用合适的折流板或支撑板的间距, 并控制它们与管子之间的间隙, 折流板的最小间距应不小于圆筒内直径的1/5, 且不小于50mm, 最大间距应不大于圆筒内直径。支撑板在没有折流板时应考虑装设, 特别是较长的卧式冷却器, 支撑板结构与弓形折流板相似, 呈弓形或半圆型。