一、引言
列管式换热器（管壳式换热器）是化工、电力、石油、制药、食品等工业领域应用最广泛的一类换热设备，占工业换热器总量的60%以上。其结构由壳体、管束、管板和封头组成，一种流体在管内流动（管程），另一种流体在管外流动（壳程），通过管壁进行热量交换。
然而，长期运行后管壁结垢几乎不可避免——循环水中Ca²⁺、Mg²⁺离子在高温区析出形成CaCO₃和Mg(OH)₂水垢，碳钢管束氧化产生Fe₂O₃和Fe₃O₄锈垢，冷却水中微生物代谢产生生物黏泥。这些沉积物导致传热系数大幅下降、能耗急剧上升，严重时还会引发垢下腐蚀造成管束穿孔泄漏。本文从结垢机理出发，系统阐述列管式换热器化学清洗的配方原理、工艺流程和工程实践经验。
二、技术分析
2.1 结垢机理
列管式换热器的结垢主要分为三类：
水垢沉积：循环冷却水中Ca²⁺和Mg²⁺离子在换热管高温区因溶解度下降而析出，形成以CaCO₃为主、含少量Mg(OH)₂的硬垢。当水温超过60℃时，CaCO₃析出速率成倍增加，垢层以每月0.2–0.5mm的速度增厚。
锈垢堆积：碳钢管束在水中发生电化学腐蚀，生成Fe₂O₃（红锈）和Fe₃O₄（黑锈）。锈垢疏松多孔，不仅自身降低传热效率，还通过孔隙结构吸附更多水垢，形成铁钙混合垢——这是列管式换热器最常见、最难清除的垢型。
生物黏泥：冷却水中的藻类、细菌等微生物及其代谢产物与悬浮颗粒物在低流速区域沉积，形成生物膜。生物膜不仅阻碍传热，其代谢产生的有机酸还会加剧管材的局部腐蚀。
2.2 关键参数
| 参数 | 说明 | 典型范围 |
|---|---|---|
| 垢层厚度 | 管内壁沉积物厚度 | 0.5–5 mm |
| 换热系数下降 | 结垢前后K值变化比例 | 20%–60% |
| 清洗剂浓度 | 酸洗液有效成分质量分数 | 3%–10% |
| 循环流速 | 清洗液在管内的流速 | 0.5–1.5 m/s |
| 清洗温度 | 化学清洗液工作温度 | 40–65°C |
三、清洗方案
3.1 化学清洗配方
针对碳钢列管式换热器的典型碳酸盐/铁锈混合垢，推荐以下配方：
| 药剂 | 浓度 | 作用 |
|---|---|---|
| 氨基磺酸（Sulfamic Acid） | 5%–8% | 主酸洗剂，溶解CaCO₃水垢 |
| 柠檬酸（Citric Acid） | 2%–3% | 络合铁离子，去除锈垢 |
| BTA（苯并三氮唑） | 0.1%–0.3% | 铜管缓蚀剂 |
| 乌洛托品 | 0.3%–0.5% | 碳钢酸洗缓蚀剂 |
| 表面活性剂 | 0.1% | 渗透润湿，加速垢层剥离 |
3.2 工艺流程
- 水冲洗：清除管内松散沉积物，确认管路通畅
- 碱洗（可选）：Na₂CO₃+表面活性剂溶液，60℃循环2小时，去除油污类污染物
- 酸洗：将配制好的氨基磺酸+柠檬酸+缓蚀剂溶液泵入管束，控制温度50–60℃，循环4–6小时
- 中和：排空酸液，清水冲洗至pH≈7，加入Na₃PO₄溶液中和残余酸
- 钝化：NaNO₂或钼酸钠溶液循环1小时，在管壁形成保护膜
- 验收：内窥镜检查管壁清洁度，挂片法检测腐蚀速率（须≤6 g/(m²·h)）
四、工程案例分析
某化工集团列管式换热器化学清洗案例
设备参数：BEM700型列管式换热器，换热面积180 m²，碳钢壳体/管束，管程介质为循环冷却水，壳程介质为工艺物料，设计进出口温差15℃。设备连续运行3年未进行化学清洗。
清洗前状况：换热管垢层厚度2–3 mm，进出口温差从设计值15℃降至7℃，传热效率仅为设计值的47%。蒸汽消耗同比增加35%，年增能源费用约22万元。取样分析显示，垢样成分以CaCO₃为主（72%），Fe₂O₃次之（18%），另有SiO₂（3%）和有机物（7%），确认为典型的铁钙混合垢。
清洗方案：采用6%氨基磺酸+3%柠檬酸+0.4%乌洛托品+0.1%表面活性剂配方，清洗温度控制在55±3℃，循环流速1.0 m/s，循环清洗5小时。每30分钟取样检测酸浓度和铁离子浓度，铁离子浓度趋于平稳时判定为清洗终点。
清洗效果：内窥镜检查显示管壁金属基体露出率达95%以上，除垢率98%。挂片腐蚀速率实测3.2 g/(m²·h)，远低于标准要求的6 g/(m²·h)。清洗后恢复运行，进出口温差恢复至14℃，传热效率恢复至设计值的93%，年节约蒸汽费用约18万元，清洗投资回收周期不到3个月。
五、总结与建议
列管式换热器化学清洗的效果取决于三个关键环节：
第一，垢样分析必须精准。以CaCO₃为主的硬垢适合氨基磺酸体系；以铁垢为主的沉积需增加柠檬酸用量或添加EDTA增强络合；含硅垢层需辅助NH₄HF₂溶解。
第二，缓蚀剂选型必须严格匹配管材。碳钢管束用乌洛托品，不锈钢管束用钼酸钠，铜管或铜镍合金管须添加BTA或MBT——用错缓蚀剂比不用更危险，某些缓蚀剂对异种金属可能加速腐蚀。
第三，清洗后钝化不可省略。尤其是停修后重新启用的设备，钝化膜是防止快速返锈的最后防线。推荐使用NaNO₂+Na₃PO₄复合钝化剂，pH控制在9.5–10.5，循环1–2小时。
综合建议：列管式换热器每12–18个月进行一次定期化学清洗，配合在线循环冷却水处理（阻垢剂+缓蚀剂+杀菌剂），可延长有效运行寿命30%以上，降低综合能效成本15%–20%。
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