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 一、必要性

    1.1  5454鋁鎂合金
      5454鋁鎂合金是美國鋁業(yè)協(xié)會（AA）鋁合金的分類方法，第一位數(shù)表示主要添加元素，代表合金系列，第二位數(shù)表示受控雜質的個數(shù)，最后兩位數(shù)表示純度百分數(shù)后的數(shù)字。5454鋁鎂合金管是美國國家標準學會（ANSI）和美國材料試驗學會（ASTM）共同標準化的材料，ASTM以B234標準納入。5454鋁鎂合金以其較好的耐蝕性、焊接性、切削性、良好的塑性，以及優(yōu)異的導熱性，有望成為石化行業(yè)等制造冷換設備管束不可多得的且來源方便的好材料。
1.2  5454鋁鎂合金的典型特性

1.  5454鋁鎂合金的耐蝕性及適用范圍

   1. 鋁鎂合金在海水中和循環(huán)水的腐蝕速率< 0.05mm/a，但有發(fā)生孔蝕的傾向。[腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊.左景伊.1995]。鋁表面在近海的腐蝕環(huán)境中會出現(xiàn)白色腐蝕斑點，為了延長鋁材的使用壽命，需要涂漆。[防腐蝕涂料和涂裝.中國腐蝕與防護學會.虞兆年.1994.]；

   2. 在NaCl+H2O、海水、水和水蒸氣是鋁鎂合金產(chǎn)生應力腐蝕開裂的材料-環(huán)境組合；

        c.  5454鋁鎂合金的使用適用范圍
ASTM規(guī)范中確定：最高溫度205°C，< 40Kg/cm2；

1. 優(yōu)異的導熱性

以下列舉幾種最常用金屬材料的導熱性比較（單位：w/m×k）[機械設計手冊]

從上述可以看出：5454鋁鎂合金的導熱性是20#碳鋼的3.4倍，不銹鋼的10倍，鈦的8.4倍，有著優(yōu)異的導熱性。
1.2.3   良好的價格性能比
以1臺BES1200-2.5-6/25-2II為例：
 

5454鋁鎂合金總費用增加35%，但由于導熱性能比較是碳鋼的3.4倍的角度相比，以及其使用壽命至少比碳鋼多使用1年，可見5454鋁鎂合金有著優(yōu)異的價格性能比。   
  1.2.4   存在問題
雖然國內外報道5454鋁鎂合金有良好的耐海水、循環(huán)水腐蝕性，并廣泛地應用于船舶工業(yè)制造輕型艦艇及航空工業(yè)焊接油箱等。而在溶液中有F-、Cl-陰離子時，由于F-、Cl-半徑小、穿透力大，很容易破壞氧化膜而產(chǎn)生點蝕；
5454鋁鎂合金在海水中的平均年腐蝕速率小于0.05mm/a，屬于耐蝕性金屬材料（較之碳鋼0.89mm/a的年腐蝕速率相差一個數(shù)量級以上），在海水中或在循環(huán)水中，碳鋼都會發(fā)生必然性的均勻性腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕，而5454鋁鎂合金在海水或在循環(huán)水（有Cl-存在）中，具有發(fā)生點蝕的傾向，所發(fā)生的腐蝕多與制造中冶金工藝處理、成份偏析、冷拔所使用的潤滑劑情況等有關，鋁鎂合金在循環(huán)水中的使用屢見不鮮。
1.3  5454鋁鎂合金的試驗室腐蝕數(shù)據(jù)
  2000年10月，由大連理工大學、中科院（沈陽）金屬腐蝕研究所將7種不同金屬材料包括5454鋁鎂合金在海水、海水+H2S、工業(yè)循環(huán)水中的實驗室通過陽極極化曲線法測得的腐蝕速率，情況如下：
1.3.1  試驗金屬材料：5454鋁鎂合金、20#碳鋼、12Cr2AlMoV、07CrCuAlMoTi、固體粉末包埋滲鋁、321不銹鋼、2507雙相鋼
1.3.2  試驗腐蝕介質：大窯灣天然海水   海水充H2S氣體  大連西太平洋石化公司第一循環(huán)水場循環(huán)水
      1.3.3  試驗條件：
        試驗溫度：設定環(huán)境溫度為28°C
          海水中測試陽極極化曲線溫度為：35°C、60°C、80°C
          海水+H2S測試陽極極化曲線溫度為：45°C、60°C
          工業(yè)循環(huán)水的測試陽極極化曲線溫度為：35°C
          本試驗采用恒溫水浴控制。
          海水中充H2S氣體的工藝是將5%的H2S+95%N2標準氣體向500ml容器中充1小時，制備成飽和H2S介質密封。
1.3.4  海水中充H2S氣體工藝裝置示意圖
  H2S         海水     海水     海水  Pb（CH3COO）2   NaOH 
1.3.5 試驗內容
（a）  陽極極化曲線測試
      試驗裝置采用PARC MODEL 175信號發(fā)生器，princeon 173型恒電位儀和586計算機，數(shù)據(jù)由計算機采集處理。參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為Pt片。試樣采用硅膠涂敷，有效面積1Cm2。經(jīng)除銹、脫脂處理后的試樣浸入溶液中，穩(wěn)定30min，測定自腐蝕電位，從該電位開始正向掃描，掃描速度為60mv/min。
（b） 腐蝕速率的計算
              述介質中的陽極極化20mv，掃描速度為5mv/min。用強極化區(qū)確定陽極、陰極塔菲爾斜率ba、bc，在線性極化區(qū)內確定極化阻抗Rp（W/cm2），從而可得到腐蝕速率icorr：
             B=ba′bc/2.303（ba+bc）
             Icorr=B/Rp
       將icorr換算成腐蝕速率v的公式為：
       V（mm/a）=3.27′icorr′A/（n′D）
       式中： A ——  原子量
              n ——  得失電子數(shù)
              D ——  密度
1.3.6 試驗結果
（a）   海水中溫度對七種金屬材料陽極極化行為的影響
    海水溫度升高，鈍性金屬、非鈍性金屬材料七種金屬材料的的電化學穩(wěn)定性能降低。
35°C 、60°C和80°C海水中陽極活化性能由強到弱的情況如下：
5454鋁鎂合金<20#碳鋼<12Cr2AlMoV<固體包埋粉末滲鋁<07CrCuAlMoTi （b）  海水中H2S對七種金屬材料的陽極極化曲線的影響
海水中加入H2S后，除2507雙相鋼外，加劇了其余六種金屬材料陽極的活性溶解。
不論在35°C，還是在60°C、80°C海水中，七種金屬材料的陽極極化穩(wěn)定性由弱到強依次為：
5454鋁鎂合金> 20#碳鋼 >12Cr2AlMoV>固體包埋粉末滲鋁> 07CrCuAlMoTi > SUS321不銹鋼>2507雙相鋼
（c）七種金屬材料在工業(yè)循環(huán)水介質中陽極極化行為的影響（常溫）
七種金屬材料的陽極極化穩(wěn)定性由弱到強依次為：
5454鋁鎂合金> 07CrCuAlMoTi > 20#碳鋼 >12Cr2AlMoV>固體包埋粉末滲鋁> SUS321不銹鋼>2507雙相鋼
其中5454鋁鎂合金、固體包埋粉末滲鋁、20#碳鋼，呈現(xiàn)出沒有明顯的鈍化電位區(qū)域，說明，這三種金屬材料在循環(huán)水中的電化學穩(wěn)定性不穩(wěn)定。
1.3.7七種金屬材料的腐蝕速率
   （a）  35°C海水中，七種金屬材料的腐蝕速率

 
   2507雙相鋼> SUS321 >12Cr2AlMoV > 固體粉末包埋滲鋁> 5454鋁鎂合金 >20#碳鋼
（b）  35°C海水+H2S中，七種金屬材料的腐蝕速率

海水+H2S中，在不同溫度下七種材料穩(wěn)定性循序如下
2507雙相鋼> SUS321 >固體粉末包埋滲鋁>12Cr2AlMoV > 07CrCuAlMoTi>5454鋁鎂合金 >20#碳鋼
在80°C的海水+H2S介質中，從七種材料樣品的電化學腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物能譜分析看，2507雙相鋼耐蝕性最好，樣品未見任何腐蝕，SUS321不銹鋼、固體粉末包埋滲鋁存在點蝕現(xiàn)象，20#碳鋼、12Cr2AlMoV低合金鋼、07CrCuAlMoTi鋼基本上為均勻腐蝕，5454鋁鎂合金也有嚴重的點蝕發(fā)生。
 
（c）    工業(yè)循環(huán)水中，七種金屬材料的腐蝕速率

在工業(yè)循環(huán)水中，七種材料穩(wěn)定性循序如下
   2507雙相鋼> SUS321 >固體粉末包埋滲鋁>12Cr2AlMoV > 20#碳鋼> 07CrCuAlMoTi>5454鋁鎂合金
  在35°C工業(yè)循環(huán)水中，經(jīng)電化學腐蝕的四種材料，SUS321不銹鋼未見明顯腐蝕，20#碳鋼和固體粉末包埋滲鋁基本為均勻腐蝕，而5454鋁鎂合金出現(xiàn)了嚴重的點蝕。
  注：本試驗所采用的循環(huán)水為某廠特定循環(huán)水，由于各單位所使用的循環(huán)水水質差異較大，因此不具有普遍意義，只作為參考。
1.4  應用事例
   1.4.1   大連西太平洋石化公司從1998年9月開始在FCC、ARDS裝置使用5454鋁鎂合金管束做循環(huán)水冷卻器及高溫熱水換熱器，從應用情況看，經(jīng)過3年的跟蹤發(fā)現(xiàn)均不同程度出現(xiàn)腐蝕，尤其是管板腐蝕最為明顯，其次是循環(huán)水側的垢下腐蝕明顯；
    1.4.2  大連西太平洋石化公司2001年4月在FCC氣壓組循環(huán)水冷卻器投用1臺5454鋁鎂合金管束，經(jīng)過一個盛夏，車間反映冷卻使用效果非常明顯，原來采用兩臺同樣規(guī)格的碳鋼涂層防腐管束1臺、海軍銅管束1臺，進出口溫度相差30°C，僅采用1臺5454鋁鎂管束后進出口溫差相差40°C，一臺冷卻效果要好于海軍銅和碳鋼兩臺管束；
      1.4.3  大連西太平洋石化公司于99年4月，在常減壓裝置曾經(jīng)試驗過一臺f400mm的5454鋁鎂合金試驗性小管束，管程為60°C海水，殼程為270°C常三線，使用了8個月后出現(xiàn)腐蝕泄漏。
1.5  介紹循環(huán)水的腐蝕影響因素
循環(huán)水中金屬的腐蝕形態(tài)甚至比海水的腐蝕形態(tài)還呈現(xiàn)出多樣性的特性，列表如下：
 

1.  微生物引起的腐蝕事例：

從有關文獻中得知：碳鋼、鍍鋅鋼、304L、316L不銹鋼、904L鋼、銅鎳合金、蒙乃爾合金均有過發(fā)生微生物腐蝕的事例發(fā)生。此外，有些微生物由于能夠產(chǎn)生硫酸，如硫氧化菌可以使混凝土迅速破壞等。

1. 循環(huán)水及水質情況調查

據(jù)有關資料介紹，國內16個使用循環(huán)水做冷卻用水的煉油廠（北京、大慶、撫順、浙江、蘭州、長嶺、茂名等）的循環(huán)水中有害微生物數(shù)量調查發(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)、蘭州、上海、茂名、北京的水質中有害微生物數(shù)量、微生物粘泥中有害微生物、硫酸鹽還原菌、鐵細菌數(shù)量，補充水中異氧菌數(shù)量在國內循環(huán)水的調查中位于前列，由于上述地區(qū)的循環(huán)水水質較為惡劣，所以水冷器腐蝕程度尤為嚴重。
1.6  結論
     從上述實際使用及試驗室數(shù)據(jù)可以得出：5454鋁鎂合金應用水冷器管束有必要進行防腐處理，從目前國內水冷器防腐水平，TH847或TH901防腐涂料無疑是最可靠最有效的防腐手段。
二、5454鋁鎂合金管束采用TH901或TH847內防腐的可行性
 2.1  良好的可靠性
 2.1.1   TH901經(jīng)過填料的改進可以做到更好地與5454鋁鎂合金的結合，保證其附著力達到I級，加入鉻酸鹽填料的底漆能夠陸續(xù)地溶出鉻酸離子，使鋁表面鈍化，增強耐蝕性；[防腐蝕涂料與涂裝.中國腐蝕與防護學會.1994.]；
     2.1.2   5454鋁鎂合金與TH901的線膨脹系數(shù)優(yōu)于碳鋼與TH901的線膨脹系數(shù)

因TH901中加入了Al粉、鉻酸鹽等導電填料，所以，其（20~60）′10-6/°C的線膨脹系數(shù)將更接近與鋁鎂合金， 在循環(huán)水進出口溫度相差20~30°C情況下，線膨脹系數(shù)對管束與涂層附著力的影響可以不予考慮。
2.2  同其它幾種金屬材料及目前國內的防腐措施比較，有著優(yōu)異的經(jīng)濟效能比
      按照美國NACE（美國腐蝕工程師協(xié)會）推薦的腐蝕控制經(jīng)濟評價法RP-02-72的
計算公式：
             A=Pw′i′（1+i）n/[（1+i）n-1]
           其中     Pw —設備價格（萬元）
                    i  — 設備投資利率（%）一般取10%
                    n  — 設備使用年限
                    A  — 設備年度費用
以FCC裝置水冷器?1200管束為例：
管程/ 循環(huán)水  45°C              殼程/含H2S烴類油氣  
做管程內防腐：按TH901防腐計算（150元/m2）
 
 

    ó 腐蝕控制經(jīng)濟法來初步估算看：
     年度費用最低的為：     5454鋁鎂合金+TH901防腐，約8.3萬元
     年度費用最高的為：     雙相不銹鋼，約為16.4萬元
數(shù)據(jù)分析：（1） 碳鋼不做防腐按1年壽命測算的設備年度費用為：15.4萬元
碳鋼+TH-901防腐按2年壽命測算的設備年度費用為： 11.0萬元
                  碳鋼滲鋁按2年壽命測算設備年度費用為：14.4萬元
5454鋁鎂合金按4年壽命測算的設備年度費用為：7.0萬元
                  雙相鋼按20年壽命測算的設備年度費用為：16.4萬元
    （2） 上述碳鋼不防腐、碳鋼+防腐、碳鋼滲鋁均是實際使用壽命，5454鋁鎂合金管束是根據(jù)使用情況推斷，雙相鋼的使用壽命根據(jù)瑞典山特維克公司提供的資料。
2.3  解決5454鋁鎂合金產(chǎn)生孔蝕、坑蝕的具體措施及設計依據(jù)
克服5454鋁鎂合金自身缺陷的辦法是，在鋁鎂合金管束水側部位進行TH901涂層防腐。使5454鋁鎂合金在循環(huán)水、海水中的使用更具有可靠性和實用性。
這樣既可充分發(fā)揮5454鋁鎂合金的導熱性能好優(yōu)勢，又通過增加涂層（相對于碳鋼并不增加較多造價）來避免5454可能產(chǎn)生的點蝕。5454鋁鎂合金覆蓋涂層和碳鋼比較有著顯著的優(yōu)勢，從技術可行性而言5454鋁鎂合金管束內壁涂覆TH901涂層有著很好的可靠性。這一技術已經(jīng)在2001年4月份在大連西太平洋石油化工有限公司的制氫車間、氣分車間的冷換設備上得以應用，運轉使用1年的實踐證明：傳熱效果良好，并且沒有發(fā)生腐蝕泄漏。

1. TH901防腐涂層

（a）  TH901水冷器專用涂料
         TH901是以生漆改性的專用水冷器涂料，由國家海洋局天津淡化水研究所所開發(fā)，并于1991年被國家科委認定為“國家級科技成果重點推廣計劃》，1992年被評為國家級新產(chǎn)品，中石化（86）生部字182號文件《關于推廣水冷器防腐涂層的通知》及中石化（1991）生機字10號文件《關于轉發(fā)“碳鋼水冷設備涂層防腐技術交流會會議機要”的通知》中，專門發(fā)文在中石化系統(tǒng)內部，推廣采用TH847和TH901水冷器專用防腐涂料，事實上，國內幾乎所有煉廠都在使用使用TH系列的防腐涂料。
  （b） 實施辦法
（1） 表面處理及涂層結構
5454鋁鎂合金管束在進行內壁防腐時，必須先對內壁進行粗糙化處理，以使涂層與基體結合牢固，不會發(fā)生因涂層附著不牢發(fā)生脫落現(xiàn)象。處理辦法是采用水噴石英砂的辦法，達到既粗糙了5454鋁鎂合金內壁表面，又不會發(fā)生噴砂破壞5454鋁鎂合金的目的。因為5454鋁鎂合金的硬度只有40HB（碳鋼硬度為110-120HB），采用碳鋼噴砂的辦法對5454鋁鎂合金管束進行粗糙化處理，勢必會破壞管束。
  圖二   5454鋁鎂合金覆蓋涂層防腐保護結構簡圖
  
（2）  覆蓋涂層方法及要求
1）  涂漆時的環(huán)境溫度在15°C~30°C之間；
2）  涂漆的環(huán)境濕度< 85%，且管束本體溫度必須高于露點溫度3°C以上；
3） 粗糙化處理完成后，在4小時之內，涂第一道底漆；
4） 每一遍涂料施工完成后，均需在涂層表干后方可進爐進行升溫固化處理。升溫方法嚴格執(zhí)行下列升溫曲線
5） 共涂六道，總厚度在200-250mm。
 
 
溫度°C               
200  . 
   150  .                        160°C
100  .               120°C
  50 .     80°C                                  
  
      1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  時間（小時）
圖三  前五遍涂層升溫固化曲線
 
 
 
溫度°C
200  .                                 200°C
150  .                       160°C     
   100  .               120°C
  50 .     80°C                                  
  
2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  時間（小時）
    圖四   第六遍（最后一遍）涂層升溫固化曲線
三、5454鋁鎂合金用于水冷器管束有著良好的實用性
（同碳鋼防腐管束、海軍銅管束、鈦管束等幾種材料相比較）
3.1  從試驗室數(shù)據(jù)分析七種金屬材料用于水冷器管束的耐蝕性依次為：

 
3.2  逐項分析
a  2507雙相鋼不論用于海水、海水+H2S（飽和）以及工業(yè)循環(huán)水中，其耐蝕性是最佳的，但因其價格昂貴，在煉油廠的應用受到很大的限制；
b  SUS321不銹鋼由于海水中含有19000ppm的Cl-，不能用于海冷器管束中，在循環(huán)水中雖然GB50050《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設計規(guī)范》中，允許Cl-含量?300ppm，但在實際中也應不宜或謹慎使用；
c    固體包埋滲鋁由于其合金化程度及滲層厚度受到限制，因此經(jīng)過實踐證明，無論在海或循環(huán)水中使用，其使用壽命大都在17個月到23個月之間；
d   12Cr2AlMoV、07CrCuAlMoTi由于在海水及循環(huán)水中，沒有實踐經(jīng)驗，從腐蝕試驗數(shù)據(jù)來看，也不宜用做水冷器管束；
e   5454鋁鎂合金管束因其與碳鋼管束有著接近的價格，雖然5454鋁鎂合金有發(fā)生孔蝕的傾向，但經(jīng)過防腐處理之后，可以大大提高5454鋁鎂合金管束的使用壽命，因此，在換熱效率要求較高的場合，非常適用；
f  銅管束（海軍銅、白銅）在含硫、含氨、胺腐蝕介質的煉油企業(yè)，由于硫能引起銅的腐蝕以及氨、胺與銅發(fā)生絡合反應，所以不適用于煉制高含硫原油的煉廠，隨著我們國家煉制進口高含硫原油的增加，銅合金管束應用于水冷器管束大大受到限制。
 3.3  結論
     和國內傳統(tǒng)所使用的幾種金屬材料做比較，5454鋁鎂合金導熱性能獨特、價格低廉、材料來源方便、優(yōu)良的經(jīng)濟效能比，成為不可多得的制作冷換設備管束的好材料，尤其是在今后我們將大量進口高含硫原油的形式下，5454鋁鎂合金管束有著良好的實用性。
  
四、結束語
4.1 5454鋁鎂合金是從美國引進的一項新技術，最早用于化工行業(yè)的冷換設備，由于在應用中耐蝕方面的不穩(wěn)定性，大大影響了其推廣使用，某廠所購置的先進的生產(chǎn)線常常處于閑置狀態(tài)，同西方國家5454鋁鎂合金的使用范圍，存在著巨大市場差異。在5454鋁鎂合金管束增加涂層防腐保護，可以大大延長和保證5454鋁鎂合金的使用壽命，為5454鋁鎂合金打開市場和擴大應用范圍，提出了可操作的技術和施工保證。
4.2 由于5454鋁鎂合金管束出現(xiàn)的腐蝕問題是，目前難以進一步打開石化行業(yè)、化工行業(yè)市場的“瓶頸”問題，采取增加涂層防腐的辦法比傳統(tǒng)的碳鋼管束防腐有著很好的價格優(yōu)勢（和碳鋼管束防腐價格相近）；
4.3 采用5454鋁鎂合金管束后，在煉制高含硫原油的煉廠，對于殼程含有H2S腐蝕介質的管束，不需要象碳鋼管束還要做防腐處理，因為5454鋁鎂合金本身就耐H2S腐蝕。5454鋁鎂合金在200°C以內含有H2S的腐蝕介質中的PH值使用范圍在4.5-8.5之間，有著其它金屬材料所沒有的使用優(yōu)勢；
    和碳鋼雙面防腐相比，5454鋁鎂合金管束只做單面（管程）防腐，整個費用節(jié)省約50%；
4.4 由于5454鋁鎂合金的導熱性比碳鋼高出3.4倍，因此在相同工藝條件下，和碳鋼相比至少節(jié)省一半換熱器的數(shù)量；
4.5 5454鋁鎂合金適合在殼層中含有H2S腐蝕介質的油氣中，更能發(fā)揮5454鋁鎂合金管束耐H2S腐蝕的優(yōu)勢。在殼層液相流速>2.5m/s的情況下，由于5454鋁鎂合金的硬度較低，所以不宜在殼層液相流速高的情況被采用。但管程不論是海水、循環(huán)水、脫鹽水、含硫污水等，只要流速<3m/s，均可在采取涂層防腐后被采用
4.6 5454鋁鎂合金在經(jīng)過防腐后，從綜合性能對比，是現(xiàn)有國內制作冷換設備管束所有材料無可替代的，同時5454鋁鎂合金的缺點是可以以簡單易行的辦法來加以克服的，并有望成為今后石化行業(yè)等制造冷換設備管束不可多得的且來源方便的好材料。
五、5454鋁鎂合金管束管箱、浮頭內端增加陰極保護的建議
第一  5454鋁鎂合金與碳鋼材質存在電位差
Fe、Al、Cu三種材料在海水中的穩(wěn)定電極電位如下：（相對Cu/CuSO4電極）
 

由數(shù)據(jù)可以看到：Cu與Fe在海水中穩(wěn)定電極電位相差0.3-0.45mv，而Cu于Fe的在海水中的穩(wěn)定電極電位相差0-0.25mv，比Cu-Fe相差要小，既然Cu-Fe采取犧牲陽極的電化學保護可以起到很好的防腐作用，那么從數(shù)據(jù)中我們有理由判斷：Al-Fe組合采取犧牲陽極的電化學保護，同樣也會取得很好的效果。
第二  成功應用事例說明
1997年4月，大連西太平洋石化公司一臺海軍銅管束（管板為16Mn，管子為海軍銅，介質為海水）使用6個月發(fā)生嚴重的電偶腐蝕，最深腐蝕坑達到6mm，為解決電偶腐蝕問題，我采取如下設計對管板進行防腐，即：
a 管板面增加涂層保護；
b管箱小浮頭內壁進行犧牲陽極的陰極防腐。
該管束于1997年4月采取上述措施后使用至2001年4月檢修檢查，管板保護良好，沒有出現(xiàn)腐蝕。