冷却水系统碳钢设备清洗剂作用机理分析

冷却水系统碳钢设备清洗剂作用机理分析1引言冷却水系统在运行过程中,会有水垢(包括各种钙垢,主要是ＣａＣＯ3)和污垢(包括淤泥,铁锈和生物胶泥等)沉积在碳钢设备传热管的表面上。随着运行时间的延续,上述沉积物不断增厚,严重时甚至会引起管道堵塞。沉积物的存在不仅会影响换热器的传热效率,而且会产生垢下腐蚀[1],最终导致热交器钢管穿孔。因此,为保证冷却水系统的正常运行和延长碳钢设备的使用寿命必须进行水处理,以起到缓蚀、阻垢和杀菌灭藻的作用。碳钢设备的清洗是实施水处理的重要环节,传热管表面上的沉积物如不清洗干净,使用的水处理剂将无法在钢管表面形成有效的保护膜,本工作对一种专用的高效多功能清洗剂ＺＦ型清洗剂及其作用机理进行试验研究。2实验2.1清洗速度的测定用工厂提供的循环冷却水系统碳钢设备的实际试样浸泡在ＺＦ型清洗剂中,在常温和静态的条件下,观察试样表面沉积物的去除情况,记录不同试样清洗干净所需时间。2.2缓蚀率的测定采用失重法和极化曲线法测定复合缓蚀剂的缓蚀效率。实验介质为含31%的工业盐酸500ｍｌ/Ｌ和ＺＦ型清洗剂。实验材料为Ｑ235钢。失重法试样规格为5.0ｃｍ×2.50ｃｍ×0.15ｃｍ,表面积为27.25ｃｍ2。极化曲线法试样表面积为1ｃｍ2。所用试样均经金相砂纸逐级打磨,再经自来水、无水酒精清洗、冷风吹干,置入干燥器中备用。(1)失重法试样经称重后在实验介质中浸泡23ｈ。取出的试样按照ＧＢ6348—86方法处理、称重,然后按式(1)计算缓蚀率ＥＥ(%)=ｖｏ-ｖｃｖｏ×100(1)式中ｖｏ———试样在31%的工业盐酸500ｍｌ/Ｌ中的腐蚀率,μｍ/ａｖｃ———试样在ＺＦ型清洗剂中的腐蚀率,μｍ/ａ(2)极化曲线法试验在ＣＨＩＭ605电化学综合测试系统上进行,用铂电极作为辅助电极,用饱和甘汞电极作为参比电极。3结果与讨论3.1ＺＦ型清洗剂的主要特点ＺＦ型清洗剂的化学组成和技术指标见表1、2。ＺＦ型清洗剂的主要特点：(1)具有多种功能,可一次性将成分复杂的沉积物除净。(2)清洗速度快,清洗表面质量好,具有活性,有利于水处理剂在其表面形成有效保护膜。(3)缓蚀效率高,对碳钢设备的腐蚀性很小。(4)操作安全简便,溶液容易配制和调整。(5)常温使用,节约能源。(6)原材料价廉易得,清洗成本低。3.2ＺＦ型清洗剂的作用机理分析3.2.1盐酸盐酸是ＺＦ型清洗剂的主剂。它依靠化学溶解和机械剥离除去沉积物中的ＣａＣＯ3、Ｃａ3ＰＯ4和氧化铁一类的腐蚀产物。(1)化学溶解由于盐酸与上述物质反应生成可溶性的并且溶解度很大的金属氯化物,因此,盐酸对ＣａＣＯ3、Ｃａ3(ＰＯ4)2和氧化铁一类腐蚀产物特别有效。即ＣａＣＯ3+2ＨＣｌ→ＣａＣｌ2+Ｈ2Ｏ+ＣＯ2↑(1)Ｃａ3(ＰＯ4)2+6ＨＣｌ→3ＣａＣｌ2+2Ｈ3ＰＯ4(2)Ｆｅ2Ｏ3+6ＨＣｌ→2ＦｅＣｌ3+3Ｈ2Ｏ(3)Ｆｅ3Ｏ4+8ＨＣｌ→2ＦｅＣｌ3+ＦｅＣｌ2+4Ｈ2Ｏ(4)ＦｅＯ+2ＨＣｌ→ＦｅＣｌ2+Ｈ2Ｏ(5)2ＦｅＣｌ3+Ｆｅ→3ＦｅＣｌ2(6)(2)机械剥离盐酸与基体铁反应产生的Ｈ2可达1个大气压,从而把水垢和锈层剥离下来。Ｆｅ+2ＨＣｌ→ＦｅＣｌ2+Ｈ2↑(7)盐酸与碳酸钙反应很快,但对于锈蚀产物而言,尽管盐酸的除锈速度在同浓度和同温度的条件下是硫酸的1.5～2倍,在各种酸洗药品中,盐酸是首选的一种,但对铁锈的溶解速度仍然较慢。盐酸的除锈速度与其浓度有关。由图1[2]不难看出:在20℃时,盐酸浓度在15%～20%的范围内,除锈速度最快。作者把工业盐酸(含ＨＣｌ31%)稀释一倍,其溶液的盐酸浓度正好落在除锈速度最快的范围内。继续提高盐酸浓度不仅无益,反而有害。这是由于盐酸易挥发,产生的酸雾会腐蚀周围的设备。由图1还可以看出:提高盐酸溶液温度可以大幅度提高除锈速度。然而温度太高,也会使盐酸挥发。因此盐酸溶液的温度最好控制在20～40℃为宜。3.2.2氟化钠盐酸对硅酸盐垢的清洗效果较差。这是由于盐酸与硅酸盐垢反应生成氯化钙和硅酸,硅酸是一种不溶于水或酸(ＨＦ除外)的凝胶状沉淀物,阻碍Ｃａ2+进入溶液,即ＣａＳｉＯ3+2ＨＣｌ→ＣａＣｌ2+Ｈ2ＳｉＯ3↓(8)在盐酸溶液中加入适量的氟化钠能提高清洗剂对硅酸盐垢和氧化铁的去除能力。Ｆ-半径特别小,负电性大,由于静电吸引作用,易与体积小的多价正离子形成稳定的络阴离子[ＳｉＦ6]2-和[ＦｅＦ6]3-,即ＮａＦ+ＨＣｌ→ＨＦ+ＮａＣｌ(9)ＣａＳｉＯ3+6ＨＦ→Ｃａ2++[ＳｉＦ6]2-+3Ｈ2Ｏ(10)Ｆｅ2Ｏ3+12ＨＦ→6Ｈ++2[ＦｅＦ6]3-+3Ｈ2Ｏ(11)[ＳｉＦ6]2-与Ｃａ2+构成络合物ＣａＳｉＦ6[3],ＣａＳｉＦ6可溶于盐酸或氢氟酸,从而把硅酸盐垢和氧化铁从沉积物中除去。这就是盐酸清洗结合络合剂清洗提高了清洗剂的除垢效