CN106835149B - 一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统 - Google Patents

Abstract

一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，包括支耳、吊环螺钉、固定管板、防冲板、定距管、挡板、弓形折流板、滑道、拉杆、异形折流板、螺母、浮动管板和管束，其特征在于，在所述的管束之间间隔分布设有相同轴向的多根牺牲阳极，牺牲阳极替换原有的部分管束；牺牲阳极穿过所述的弓形折流板，并支撑固定在固定管板与浮动管板之间。本发明的优点是：突破了牺牲阳极在换热器壳程走水结构对所有管束进行保护的难题，通过计算机仿真设计计算，科学合理地确定牺牲阳极的分布位置、数量，棒状的牺牲阳极结构完全实现了在换热器空间上阴极保护作用均匀化分布。通过防腐涂层和牺牲阳极联合保护可实现水冷器运行寿命至少延长6年。

Description

一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统

技术领域

本发明涉及换热器管束外壁防腐蚀技术，具体是一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，属于腐蚀与防护技术领域。

背景技术

现代大型石油化工装置均要求连续、平稳、安全运行，这就对设备的可靠性提出了更高的要求。换热器是石油化工领域中的重要设备，约占企业建厂投资费用的20%，其中碳钢材质的水冷器约占换热器总数的30%。当水冷器中的循环水与温度较高的介质换热时，极易使水侧管壁结垢；当循环水流速低且水质较差时，也会使管壁上积聚粘泥。垢层和粘泥不但增加了热阻使设备换热效率下降，而且极有可能使水冷器运行过程中发生内漏。对于单台无备用的水冷器，检修需生产装置退料局部停工，造成严重的经济损失；内漏后在线切除检修的水冷器增加了检修费的额外支出，使生产装置处于应急态，同时检修可能带来很多操作风险。据不完全统计，化工生产过程中每年报废的换热器中，1/3为水冷器，水冷器经常性的发生腐蚀内漏，已经成为影响企业正常生产的重大问题。很多新的碳钢水冷器管束没有采取有效大的防腐措施，使用不到一年即会发生管束腐蚀甚至穿孔的情况。如将碳钢升级为不锈钢，不但要考虑成本费用的翻倍支出，而且循环水中一定浓度的氯离子，将对不锈钢造成腐蚀穿孔或应力腐蚀开裂损伤。

现有技术中，换热器设备上应用较多的防腐蚀技术是提高设备材质的耐蚀等级和涂敷防腐蚀涂料，但提高设备材质的耐蚀等级会大幅度增加建造成本，比如钛合金换热器。对碳钢材质水冷器的腐蚀问题，主要还是采用涂层防腐的办法。

50年代后期，即1958年伊始，大连石化公司最早采用环氧改性酚醛涂料进行换热器防腐（同期的大连化学工业公司亦如此），环氧改性酚醛顾名思义就是将环氧树脂与酚醛树脂通过物理混合后，依靠其特有的互为固化剂的特征，进行冷却器的管内外防腐，为改善其导热性，也添加约30%左右的石墨粉。酚醛涂料由于其保存时间短的特性，需要配套做反应釜，随时用随时合成，其存在的主要问题是产品不稳定，容易失效结块，故限制了其使用。此外，环氧改性酚醛树脂涂层需要做升温固化，对操作要求较高，实施不便。但即便如此，其良好的耐温性能（120℃）在当时是最先进的，此方法大概在国内风靡了近20余年。

到了上世纪70年代末，国内研制出以环氧树脂为基础的7910树脂防腐涂料，产品性能稳定，有一定的耐温性，可以达到100℃，在国内炼化单位大量使用，使用过程中慢慢暴露出其附着力低的不足，加之耐温性较低，因此没有像环氧改性酚醛那样被广泛认可。

到了80年代中后期，国内天津海水淡化研究所研制出一种叫CH784和TH847的海水冷却器专用防腐涂料，当时的国家科委还专门颁布了“国家科委成果办”《关于推荐“TH－847碳钢水冷器防腐涂料”的函》在国内推广使用，1988年当时的中石化总公司下发的《中石化（88）生机字123号》文中曾明确指出：“总公司重申，应从设计、制造开始，凡是新制造出厂的冷换设备必须涂上防腐涂层；检修更换投入使用的水冷芯子也必须涂上防腐涂层”。

TH847最大的特点是附着力有了一个显著的提高，耐温性可以达到120-150℃。但随着国内大量引进含硫原油及其加工工艺，发现TH847不耐装置停工前的蒸汽吹扫，饱和10公斤蒸汽吹扫温度大概在160-190℃甚至更高，如此高温度的蒸汽吹扫，使得TH847涂料像面条一样被吹扫出来进入到冷却器管箱、浮头、甚至于造成装置中的管线、机泵堵塞，清理困难，有的部位TH847涂料全部碳化，堆积在设备内部，而蒸汽吹扫又不可能避免，上述原因限制了TH847的使用。

90年代的代表性防腐涂料是TH901，其主要成分为漆酚（或漆酚钛）该涂料可以耐到200℃蒸汽吹扫温度，事实证明TH901确实可以应对蒸汽吹扫，但涂料脆性大，易损坏。此方法被国内炼化企业大量采用10余年。

此后，国内冷却器在涂层防腐方面再也没有出现以前那样的大概10年推陈出新出现一种新技术的局面，这与现有天然或人工合成树脂类在能够满足工艺介质腐蚀性条件下，鲜有达到200-250℃使用极限有关。

国外针对换热器的防腐技术可查资料也不多。70年代苏联ShigrinV.G等针对各类水冷器进行了系统的涂层性能比较和筛选试验确认环氧类型的SP-EK-4涂料的效果最佳。他们认为主要应考虑的因素是耐水、减少膨胀、减少渗透。实际上，除树脂外，填料的选择和搭配也是不容忽视的。西德KehrJ.A注重高填料环氧涂料的研制，针对性的选择硫酸钡、碳酸钙和云母，以提高耐水汽渗透性能，耐沸水性超过一年。近些年来，美国belzona和英国DEP等高分子聚合物修复技术在国外比较流行，但其针对换热器仅能修复和保护管板和封头管箱等面积较大的位置，对管束没有保护手段，而且其造价非常昂贵。

中国专利CN 204268952U公布了一种换热器管束硅醛防腐涂层。其特征在于，包括硅键结构的防护底层，所述鬼剑结构防护底层在换热器内表面和管束外表面上，所述硅键结构防护底层表面还涂油防腐面层。该技术近几年已经在大庆石化获得了应用。

目前国内换热器防腐领域，单独采用管束涂层防腐技术和牺牲阳极保护技术较多。对于涂层加牺牲阳极的联合保护方案，国内仅中石化洛阳工程有限公司的任大同和湖南大学崔正丹硕士在论文中提及，并没有进一步探讨牺牲阳极保护管束的适应性和细节，无法证实牺牲阳极对管束所有表面保护的有效性，因此没有解决壳程走水时防腐保护的难题。

目前国外换热器防腐领域，就现有的检索结果，单纯的涂层或牺牲阳极的保护方案都鲜被提及，多数以升级或改良材质的耐蚀性为主流。

防腐蚀涂层虽具有良好的防腐蚀性能，但单一的防腐蚀涂层由于其在金属表面的附着能力和涂层厚度的不同，会存在一定的缺陷。在涂层涂覆时，对密集的管束还可能存在局部漏涂和施工破损部位。

牺牲阳极的阴极保护技术在国内换热器设备中已开始少量应用，单纯的牺牲阳极保护，由于电流所能到达的地方有限，其保护面积也有限，只适合于小型换热器。随着设备的大型化，一方面要大量的消耗牺牲阳极，增加成本，影响了保护年限( 这是由于冷换设备安装阳极数量有限的缘故) ；另一方面由于换热器设备形状复杂，难以保证电流的保护均匀性及保护深度，从而在密集的管束表面建立有效的阴极保护。如果把涂料防腐蚀与牺牲阳极保护结合起来，降低阴极保护电流需求量，减缓阴极保护静电场的衰减，才有可能实现更大管束面积的阴极保护。

现有的换热器阴极保护只能根据保护面积计算阳极最小需求量，并局限于封头、浮头、管箱以及折流板等空间宽裕的位置安装牺牲阳极块，但是无法对远离阳极的管束实施阴极保护。在换热器壳内壁与管束之间空间安装阳极，也只能对管束外部产生局部阴极保护作用，由于管束间距很小，牺牲阳极无法保护到内部管束。因此，不能同时解决经济可行的阳极安装数量和管束全部表面获得有效阴极保护两个问题。

关于换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，如何确定经济可行的阳极安装数量，以便保证管束全部表面阴极保护达标的设计方法在国内外均未见报道。

发明内容

本发明旨在提供一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，以解决现有技术存在的不能同时兼顾经济可行的阳极安装数量和管束全部表面获得有效阴极保护的问题。

本发明的技术方案是：一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，包括支耳、吊环螺钉、固定管板、防冲板、定距管、挡板、弓形折流板、滑道、拉杆、异形折流板、螺母、浮动管板和管束，其特征在于，在所述的管束之间间隔分布设有相同轴向的多根牺牲阳极，牺牲阳极替换原有的部分管束；牺牲阳极穿过所述的弓形折流板，并支撑固定在固定管板与浮动管板之间。

所述的牺牲阳极的分布满足径向截面上的电位均匀化。

所述的牺牲阳极的形状包括棒状阳极或带状阳极，圆柱形的棒状阳极的直径优选范围为10~40毫米，带状阳极的截面包括菱形或矩形；阳极截面积的选择，在不影响冷却水流动状态的前提下，由阳极的发生电流和管束19间距决定。

所述的牺牲阳极的长度或与换热器的管束同长；或短于管束长度，通过机械连接方式组合安装，机械连接优选螺杆与螺纹组合方式 ，以便实现阳极棒之间的固定和电性连接。

所述的牺牲阳极阳极棒替换管束占总管数的比例范围为0~30%，当防腐涂层质量优良时，6年以内管束防腐可以单独采用涂层防腐；如果涂层在换热器运行期内破损严重，最高可以考虑阳极棒比例达到30%，优选比例比例为5~20%。

所述的牺牲阳极的材料包括镁、锌或铝的贱金属合金阳极，其中：

镁合金阳极成分范围满足国标GB/T-17731中MGM1C、MGAZ63B和MGAZ31B；

锌合金阳极的成份和质量比例为：Al：0.10% - 0.25%，Mg：0.05% - 0.15%，Cd：≤0.001% ，Fe：≤0.002% ，Cu≤0.001% ，Pb≤0.006% ，其他杂质总量：≤0.10% ，剩余为Zn。

所述的镁、锌或铝合金的牺牲阳极选择使用前，需要测试不同循环水温度下的电化学容量，要求同时满足两个要求：经济的阳极安装数量和管束全部表面有效的阴极保护，采用计算机仿真计算，对换热器管束在实际工况下的阴极保护和所选型的牺牲阳极进行模拟计算，以便确定牺牲阳极的尺寸、安装位置和数量可以实现换热器壳程水介质中全部表面的阴极保护达标。

所述的计算机仿真计算过程包括：

（1）边界条件建立：

测定拟选取的牺牲阳极材料和作为阴极的被保护管束材料的阳、阴极极化曲线；测定极化曲线时，介质条件模拟循环水温度、介质成分、pH值、电阻率条件，以此测定的极化曲线更接近于阳极和阴极在实际工况下的极化行为；并根据预期的涂层破损率，推算管束表面又涂层时的边界条件。

（2）数值模型建立，包括：

（2.1）换热管截面分布模型：选择换热器圆周截面的一部分建立管束分布模型；

（2.2 ）阳极布置：换热器管束采用镁阳极棒进行阴极保护，四分之一换热器管束部分分别选取不同比例阳极数量替换原管束；

（2.3）仿真计算结果包括以下步骤：

（2.3.1）裸金属管束的牺牲阳极保护模拟，获得阴极保护电位空间分布；

（2.3.2） 换热器管束有涂层时牺牲阳极保护模拟，获得阴极保护电位空间分布；

（2.3.3）根据阴极保护电位最正值判断阴极保护是否达标：

当最正电位值正于-0.85伏，表明牺牲阳极没有对全部管束表面做到有效的阴极保护，应考虑增加阳极比例和调整阳极位置；

当最正电位值负于-0.85伏，表明全部管束表面阴极保护达标，可以进一步减少阳极比例，在确保阴极保护电位达标前提下，获得经济的阳极安装数量；

当阴极保护最负电位超过-1.3V，应减少牺牲阳极用量或调整牺牲阳极安装位置，再进行仿真计算，以便优化牺牲阳极保护方案，实现阴极保护电位均匀化。

本发明的优点是：突破了牺牲阳极在换热器壳程走水结构对所有管束进行保护的难题，通过计算机仿真设计计算，科学合理地确定牺牲阳极的分布位置、数量，棒状的牺牲阳极结构完全实现了在换热器空间上阴极保护作用均匀化分布。通过防腐涂层和牺牲阳极联合保护可实现水冷器运行寿命至少延长6年。

附图说明

图1是本发明的换热器管束和牺牲阳极的结构示意图；

图2是本发明牺牲阳极安装位置示意图；

图3是裸钢不同温度下10#钢极化曲线；

图4是不同温度下镁阳极极化曲线；

图5是不设有阳极的换热器管束截面的分布模型；

图6是阳极数量占管束总量5%时的截面布置图；

图7是阳极数量占管束总量10%时的截面布置图；

图8是阳极数量占管束总量20%时的截面布置图。

具体实施方式

本发明所述的换热器管束的牺牲阳极保护系统如图1和图2所示，它由支耳1，吊环螺钉2，固定管板3，防冲板4，定距管（I）5，定距管（II）6，挡板7，定距管（III）8，定距管（IV）9，弓形折流板（I）11，弓形折流板（II）12，滑道13，拉杆（I）14，异形折流板15，拉杆（II）16，螺母17，浮动管板18，换热器管束19（图2中网格的每个交叉点）组成，以上部件均以常规方式（管束式换热器的构造）相互连接。其中牺牲阳极10采用与管束19同长度的长条状的牺牲阳极，替代部分管束19位置，以便增强牺牲阳极保护对管束群在径向位置电位均匀化的分布。这些长条状的阳极形状包括棒状或带状，阳极棒的直径优选范围为10~40毫米，带状阳极的截面积可以为菱形或长方形。阳极截面积的选择，在不影响冷却水流动状态的前提下，由阳极的发生电流和管束间距决定。图2中网格区域A表示管束19的分布区域。

单根阳极棒长度可以与管束同长，也可以较短的阳极棒通过机械连接方式组合安装。机械连接优选螺杆与螺纹组合方式 ，以便实现阳极棒之间的固定和电性连接。

阳极棒替换管束占总管数的比例范围为0~30%，当防腐涂层质量优良时，6年以内管束防腐可以单独采用涂层防腐；如果涂层在换热器运行期内破损严重，最高可以考虑阳极棒比例达到30%，这是因为当管束泄露达30%以上时，换热器报废更换。牺牲阳极棒替换管束占总管数的优选比例比例为5~20%。

牺牲阳极10的材料为镁、锌、铝等贱金属合金阳极。镁合金成分范围满足国标GB/T-17731中MGM1C、MGAZ63B和MGAZ31B；锌合金阳极满足沙特阿美石油公司标准17-SAMSS-006 《Galvanic Anodes for Cathodic Protection》，选择使用温度可以在50℃以上的耐高温锌阳极，成分范围如下（采用常规方法制作）：

Al 0.10% - 0.25%

Mg 0.05%-0.15%

Cd 0.001%最大

Fe 0.002%最大

Cu 0.001%最大

Pb 0.006% 最大

其他杂质总量 0.10% 最大

Zn 剩余

铝合金阳极通常使用环境为海水或盐水，但国外也有淡水条件下工作电位接近镁阳极的合金成分报道。因此，也具备应用的可能性。

上述三种合金的牺牲阳极选择使用前，需要测试不同循环水温度下（最高70℃）的电化学容量，以便同时满足两个要求，即：经济的阳极安装数量和管束全部表面有效的阴极保护。为了确保这两个要求，本发明采用计算机仿真计算，对换热器管束在实际工况下的阴极保护和所选型的牺牲阳极进行模拟计算，以便确定牺牲阳极的尺寸、安装位置和数量可以实现换热器壳程水介质中全部表面的阴极保护达标。进行计算机仿真计算的基础是测定使用工况下，牺牲阳极的阳极极化曲线和管束的阴极极化曲线。

下面采用与传统计算方法对比的方式，以某炼化厂第一分馏塔换热器H-1301的管束为例，来说明本发明计算机仿真设计过程和牺牲阳极保护效果。换热器H-1301的主要参数见表1.

表1 换热器H-1301的主要参数

序号	部件名称	数量	材质	备注
					1	支耳	2	Q235B
2	吊环螺钉	4	20#
					3	固定管板	1	16Mn
4	防冲板	1	Q235B	424*400
					5	定距管（I）	8	10#	L=555
6	定距管（II）	2	10#	L=905
					7	挡板	52	Q235B	40*340
8	定距管（III）	24	10#	L=690
					9	定距管（IV）	78	10#	L=340
11	弓形折流板（I）	7	Q235B
					12	弓形折流板（II）	6	Q235B
13	滑道	2	Q235B	L=4623
					14	拉杆（I）	2	Q235B	L=4820
15	异形折流板	1	Q235B
					16	拉杆（II）	8	Q235B	L=5170
17	螺母	20
					18	浮动管板	1	16Mn
19	换热器管束	1493	10#	L=6006

1、传统的牺牲阳极设计计算过程

1.1．管束保护面积计算

单根管束

A1（6米长）=3.14×0.019×6 m²= 0.358 m²

换热器有1493根管束组成，所以总保护面积=1493×0.358=534 m²

1.2. 阴极保护电流需求值

初期：电流密度0.025 A/㎡×防腐蚀面积534 m²＝13.35 A

平均：电流密度0.020 A/㎡×防腐蚀面积534 m²＝10.68 A

末期：电流密度0.020 A/㎡×防腐蚀面积534 m²＝10.68 A

1.3. 镁阳极棒计算

(1) 初期

阳极棒电阻 （1）

Ra(initial） =1.04 [ohm]

ρ: 循环水电阻率5 [ohm･m]

L(initial） : 阳极棒长度 6 [m]

D(initial） : 阳极棒直径 0.019 [m]

(2) 初期阳极棒质量 m(initial)=3.14×0.019×0.019×6×1700/4 = 2.9 kg

末期阳极棒长度不变L(final) = 6 [m]

末期阳极棒质量 m(final) = m(initial) x (1-u)

= 2.8 x (1-0.85) = 0.435 kg

由此，推算阳极棒末期直径为7.4毫米

(3) 阳极棒电阻（末期）

根据公式（1），同样计算出末期阳极棒电阻为1.16 [ohm]

(4) 阳极棒的安装数量

阳极棒总重量（最小）

Ma_Min = Ic (_Mean) × T × Ty/(u × e)

=10.68×6×8760/(0.85x1100)=600kg

（2）Ic(_Mean):防腐周期内平均阴极保护电流的需求值10.68[A]

T:设计寿命6[年]

Ty:年换算时间8,760[h/y]

u:电流效率0.85[-]

e:有效电容量1100[A･hour/kg]

阳极棒数量N=600/2.9 = 207根

则：添加镁阳极棒相对换热器管束总量1493根的比例为：

100%*（207/1493）=13.9%

(5)阳极棒产生电流的设计值

初期阳极棒发生电流

Ia = (E0c-E0a)/Ra = {(-0.85) – (-1.45)}/Ra = 0.6/ Ra

　　　　　　　　　= 0.6/1.04 = 0.577 A/pc.

则，初期阳极棒发生总电流

Iat= Ia x nac = 0.577 A/pc.×207 = 119 A

末期阳极棒发生总电流Ia= 0.6/1.16 = 0.517 A/pc.

Iat= 0.517A/pc.×207 =107 A

Iat> or = Ic

则：119A ＞ 13.35A， 同时 107 A＞10.68 A

即：阳极棒安装量600公斤（207根）的情况下，牺牲阳极保护初期和末期达到阴极保护极化的条件可以满足。

当阳极量为13.8%即600公斤时，由上面计算可知初期和末期阴极保护发生总电流量远远大于阴极保护电流需求量，似乎说明镁阳极棒的设计量对裸露的管束实施阴极保护是足够的。

对于有涂层保护的管束，根据涂层破损和涂层孔隙，阴极保护电流需求量还要乘上涂层破损系数（breakdown factor）。假定，初期涂层涂覆时，漏涂率为2%，每年涂层破损增加2%计算，使用六年平均破损率为7%，则阴极保护平均电流需求量只有上述计算的7%，即：7%×10.68 A=0.748 A。根据式（2）计算最小阳极需求量为42公斤，折合阳极棒15根。

那么换热器添加镁阳极棒比例为1%，即：15根。则

初期阳极棒发生总电流

Iat= Ia x nac = 0.577 A/pc.×15= 8.7 A

末期阳极棒发生总电流Ia= 0.6/1.16 = 0.517 A/pc.

Iat= 0.517A/pc.×15 =7.8 A

Iat> or = Ic

则：8.7A ＞ 0.934A， 同时 7.8 A＞0.748 A

即：阳极棒安装量42公斤（15根）的情况下，牺牲阳极保护初期和末期也能达到阴极保护极化的条件。似乎15根阳极棒也可以对有涂层保护的管束建立足够的阴极保护。

可实际上，这种阳极计算量存在很大问题，主要表现在：

1）淡水中牺牲阳极电流分散能力有限，同时狭窄的管束间距会制约牺

牲阳极静电场分布，因此阴极保护电位衰减很快，这么少的阳极量无法保证管束全部表面阴极保护电位达标，即，不能建立有效的阴极保护。传统阴极保护设计只能计算出阳极最小需求量，这是基于平均阴极保护电流密度计算获得，无法考虑远离阳极棒的电流需求。

2）上述有涂层保护时计算所得阳极棒电流需求量为0.748A，平均到每

根牺牲阳极棒上的阳极发生电流密度为0.139A/㎡=(0.748A/15）/0.358㎡ =13.9u A/c㎡，此时镁阳极有效电容量急剧减小，远远小于正常的1100A-h/Kg，大概在400A-h/kg，其消耗量为21.9Kg/A-year。就是说镁阳极每年在循环水中的自消耗量远远大于阳极棒由于阴极保护的有效消耗量。这意味着阳极使用寿命也达不到设计假设的6年。

3）再者就是选取合理的阴极保护电流密度是个难点，传统方法往往采

用国际规范建议值，例如沙特国家石油公司标准SAES-X-500《水罐内壁阴极保护》推荐内壁裸钢为30 mA/c㎡，带涂层内壁为3 mA/c㎡；而挪威船级社标准DNV-RP-B101《CORROSION PROTECTION OF FLOATING PRODUCTION AND STORAGE UNITS》和中国国家标准GB/T 31972-2015《海上浮式生产储存设备腐蚀防护》建议设计寿命10年以下的涂层钢阴极保护电流密度为10 mA/c㎡；这说明国际标准之间本身就存在差异（我们上面计算中采用裸钢20 mA/c㎡，涂层钢2 mA/c㎡）。

实际工况中影响因素多（管束表面状态、涂层质量、水温等），因此传统的阳极保护设计无法确认选取的阴极保护电流密度在某个具体工况下的合理性。最终也导致牺牲阳极实际使用寿命与传统设计计算差异很大，防腐周期的确定性就很差。

总而言之，传统阴极保护设计不能确认管束的全部表面是否达到阴极保护，不能通过阳极数量和安装位置的调整来优化牺牲阳极保护方案。即，经济可行的阳极安装量和管束表面阴极保护电位全部达标不能同时兼顾。这个问题一直制约着牺牲阳极保护在壳程循环淡水的换热器使用。

我们通过计算机仿真计算对牺牲阳极保护管束方案进行优化，可以更好地均衡牺牲阳极用量与管束保护电位均匀性的问题，对牺牲阳极使用寿命进一步验证计算，有望贴近实际工况使用寿命。实施例如下：

2、本发明牺牲阳极仿真设计计算过程

2.1边界条件建立：

选取MGAZ63B合金为镁阳极和10#钢（被保护的管束材料）为阴极，循环水采用水气厂一循回水，pH值：8.5；电导率：2000μs/cm；氯离子浓度：240毫克/升。阴阳极极化边界条件为10℃、30℃和50℃水温的循环水中测试。

参照DNV-RP-B401标准，阴极材料表面存在保护涂层时，其所需的保护电流与涂层破损因子（破损比例）成比例关系，即保护电流等于裸钢的保护电流乘以破损因子。由此也可以推算出10#钢涂层破损率不同条件下的边界。

裸钢不同温度下10#钢极化曲线如图3所示。

镁阳极在不同水温下的极化曲线如图4所示。

图3和图4分别是阴极和阳极极化曲线，它们是仿真计算的边界条件，是仿真计算的基础数据。

2.2数值模型建立：

2.2.1 换热管模型：

换热器数值模型参照图纸进行设计建立。由于整个换热器为圆形对称结构，且所含换热管束19多达1493根，建立完整模型工作量大，且模型过大时计算过程耗时过长，效率极低，因此选择换热器（截面）圆周的1/4建立模型，共构建换热管373根，规格尺寸为Φ19.25×6000mm，具体如图5所示。

2.2.2 阳极布置：

换热器管束采用镁阳极棒进行阴极保护，四分之一换热器管束部分分别选取三种不同比例阳极数量作为实施例。

实施例1: 选取5%（19根）的换热管束19替换为阳极（镁棒）10，阳极规格尺寸与换热管相同，阳极的布置如图6所示。

实施例2: 选取10%（37根）换热管束19替换为阳极（镁棒）10，阳极规格尺寸与换热管相同，阳极的布置如图7所示。

实施例3: 选取20%（75根）的换热管束19替换为阳极（镁棒）10，阳极规格尺寸与换热管相同，阳极的布置如图8所示。阳极10在换热管束截面上均匀布置，即，采用相同的阳极间距均匀化分布在管束截面图上。

2.3仿真计算结果：

2.3.1裸金属管束的牺牲阳极保护模拟：

换热器管束为裸露金属表面时，采用10%牺牲阳极比例的阴极保护阴极保护电位范围如表2所示。

从表2数据也可以看到，裸金属表面的管束，20%的阳极比例可以使裸管的阴极保护电位达到-0.85V以上，而10%阳极比例最正电位达不到阴极保护的最正保护电位-0.85V。那么在10%的阳极比例下，管束的裸露金属表面仍然存在腐蚀“热点”，这些部位优先发生腐蚀。阳极比例20%，管束在温度高的情况下也基本达到阴极保护，但阳极比例过高，可能会影响换热效果。

表2 镁阳极棒/换热器不同数量比下，裸管阴极保护电位对比

2.3.2换热器管束有涂层时牺牲阳极保护模拟：

对于换热器管束有涂层保护情况下，采用牺牲阳极保护联合防腐蚀，可以起到取长补短、优势互补的效果。表3是镁阳极棒10%比例下，管束表面状态不同时阴极保护电位对比。可以看到，管束有涂层时的同等阳极添加量下，10%比例的阳极就可以使阴极保护电位达到-0.85V标准，甚至涂层破损严重达20%情况下，阴极保护电位仍然达标。

进一步降低阳极安装量到5%，计算机仿真模拟结果见表4。可以看到涂层破损10%情况下，管束可以达到阴极保护；涂层破损20%时，30℃还可以达到阴极保护，50℃水温下，阴极保护不足。

表3镁阳极棒10%比例下，管束表面状态不同时阴极保护电位对比

4镁阳极棒5%比例下，不同涂层破损比例时阴极保护电位对比

通过上面数据对比看到，阳极安装量从裸钢管束的20%，下降到有涂层保护管束时的5%，阳极安装量大大减少，与此同时换热管的有效数量增加。这说明，管束整体采用高性能涂层防护后，阴极保护电流需求量大大降低，并且阴极保护电流可以传输到更远的距离，增大了阴极保护的范围，也大大降低了牺牲阳极材料的消耗率。

在循环水温度相同，阳极量相同比例下，假定涂层破损严重的情况下，牺牲阳极阴极保护也能很好的覆盖管束表面。这说明，牺牲阳极阴极保护可以弥补涂层局部破损导致防腐保护失效的不足，消除腐蚀 “热点”，最终达到涂层和牺牲阳极保护联合防腐优势互补的效果。

2.4计算机仿真优化设计：

从传统阴极保护计算和计算机仿真计算对比可以看到两种的区别，如下：

传统阴极保护设计只能计算出阳极最小需求量，这是基于平均阴极保护电流密度计算获得，无法考虑远离阳极管束的电流需求。因此，无法兼顾解决经济可行的阳极安装量和管束表面阴极保护全部达标的难点。

而通过仿真计算示例，我们可以迭代计算不同阳极量下管束阴极保护电位的空间分布，以便确保所有部位阴极保护达标，最终获得适当的阳极数量。

实施例1中，循环水温度在50℃时、涂层破损率达20%时，5%阳极量不能确保所有管束阴极保护达标，而水温度在30℃以下、涂层破损率达20%时，5%阳极量可以确保所有管束阴极保护达标。

实施例2中，循环水温度在10℃、30℃和50℃时、涂层破损率达20%时，10%阳极量都能确保所有管束阴极保护达标。

实施例3中，循环水温度在50℃、涂层破损率达20%时，20%阳极量都能使管束阴极保护接近达到-0.85V标准；而循环水温度在30℃、涂层破损率达20%时，20%阳极量能使管束阴极保护接近达到-0.85V标准

本发明突破了牺牲阳极在换热器上安装时结构上受限的难题（尤指壳程），长条（棒）状的牺牲阳极结构完全实现了在换热器空间上的均匀分布，再通过计算机软件仿真模拟计算，科学合理的确定牺牲阳极的分布位置。实现了防腐涂层和牺牲阳极在防腐作用上的相互弥补加强、共同作用，有效提高防腐的综合性能，并高质量的延长换热器的使用寿命。

Claims (7)

1.一种换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，包括支耳（1）、吊环螺钉（2）、固定管板（3）、防冲板（4）、定距管（5-9）、挡板（7）、弓形折流板（11、12）、滑道（13）、拉杆（14、16）、异形折流板（15）、螺母（17）、浮动管板（18）和管束（19），其特征在于，在所述的管束（19）之间间隔分布设有相同轴向的多根牺牲阳极（10），牺牲阳极（10）替换原有的部分管束（19）；牺牲阳极（10）穿过所述的弓形折流板，并支撑固定在固定管板（3）与浮动管板（18）之间；所述的牺牲阳极（10）的分布满足径向截面上的电位均匀化。

2.根据权利要求1所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的牺牲阳极（10）的形状包括棒状阳极或带状阳极，圆柱形的棒状阳极的直径优选范围为10~40毫米，带状阳极的截面包括菱形或矩形；阳极截面积的选择，在不影响冷却水流动状态的前提下，由阳极的发生电流和管束（19）间距决定。

3.根据权利要求1所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的牺牲阳极（10）的长度或与换热器的管束同长，或短于管束（19）长度，通过机械连接方式组合安装，机械连接优选螺杆与螺纹组合方式 ，以便实现阳极棒之间的固定和电性连接。

4.根据权利要求1所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的牺牲阳极（10）阳极棒替换管束占总管数的比例范围为0~30%，当防腐涂层质量优良时，6年以内管束防腐可以单独采用涂层防腐；如果涂层在换热器运行期内破损严重，最高可以考虑阳极棒比例达到30%，优选比例比例为5~20%。

5.根据权利要求1所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的牺牲阳极（10）的材料包括镁、锌或铝的贱金属合金阳极，其中：

镁合金阳极成分范围满足国标GB/T-17731中MGM1C、MGAZ63B和MGAZ31B；

锌合金阳极的成份和质量比例为：Al：0.10% - 0.25%，Mg：0.05% - 0.15%，Cd：≤0.001% ，Fe：≤0.002% ，Cu≤0.001% ，Pb≤0.006% ，其他杂质总量：≤0.10% ，剩余为Zn。

6.根据权利要求5所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的镁、锌或铝合金的牺牲阳极选择使用前，需要测试不同循环水温度下的电化学容量，要求同时满足两个要求：经济的阳极安装数量和管束全部表面有效的阴极保护，采用计算机仿真计算，对换热器管束在实际工况下的阴极保护和所选型的牺牲阳极进行模拟计算，以便确定牺牲阳极的尺寸、安装位置和数量可以实现换热器壳程水介质中全部表面的阴极保护达标。

7.根据权利要求6所述的换热器管束外壁牺牲阳极保护系统，其特征在于，所述的计算机仿真计算过程包括：

（1）边界条件建立：

测定拟选取的牺牲阳极材料和作为阴极的被保护管束材料的阳、阴极极化曲线；测定极化曲线时，介质条件模拟循环水温度、介质成分、pH值、电阻率条件，以此测定的极化曲线更接近于阳极和阴极在实际工况下的极化行为；并根据预期的涂层破损率，推算管束表面又涂层时的边界条件；

（2）数值模型建立，包括：

（2.1）换热管截面分布模型：选择换热器圆周截面的一部分建立管束分布模型；

（2.2 ）阳极布置：换热器管束采用镁阳极棒进行阴极保护，四分之一换热器管束部分分别选取不同比例阳极数量替换原管束；

（2.3）仿真计算结果包括以下步骤：

（2.3.1）裸金属管束的牺牲阳极保护模拟，获得阴极保护电位空间分布；

（2.3.2）换热器管束有涂层时牺牲阳极保护模拟，获得阴极保护电位空间分布；

（2.3.3）根据阴极保护电位最正值判断阴极保护是否达标：

当最正电位值正于-0.85伏，表明牺牲阳极没有对全部管束表面做到有效的阴极保护，应考虑增加阳极比例和调整阳极位置；

当最正电位值负于-0.85伏，表明全部管束表面阴极保护达标，可以进一步减少阳极比例，在确保阴极保护电位达标前提下，获得经济的阳极安装数量；

当阴极保护最负电位超过-1.3V，应减少牺牲阳极用量或调整牺牲阳极安装位置，再进行仿真计算，以便优化牺牲阳极保护方案，实现阴极保护电位均匀化。