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 | 按工况配置 |
| 清洗剂浓度 | 酸洗液有效成分质量分数 | 按工况配置 |
| 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（LX-903 复合清洗剂（氨基磺酸系）） | 按工况配置 | 主酸洗剂，溶解CaCO₃水垢 |
| 柠檬酸（柠檬酸系复合清洗剂） | 按工况配置 | 络合铁离子，去除锈垢 |
| 铜管专用缓蚀剂 | 按工况配置 | 铜及铜镍合金管束缓蚀成膜保护 |
| 碳钢酸洗缓蚀剂 | 按工况配置 | 碳钢管束缓蚀保护 |
| 表面活性剂 | 按工况配置 | 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）：LX-902碱洗剥离型清洗剂配合表面活性剂溶液，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，加入碱性中和剂溶液中和残余酸
- 钝化：专用钝化液循环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≤5 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LX-903复合清洗剂（氨基磺酸系）与柠檬酸系复合清洗剂复配、专用缓蚀剂与表面活性剂保护的配方，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5 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。
六、常见问题
Q1：列管式换热器结垢后如何处理？
处理前先做垢样分析确认垢型，再对症下药：碳酸盐与铁锈类混合垢采用无氯酸洗体系与柠檬酸系药剂复配循环清洗，全程配合缓蚀剂保护；若管束已严重堵塞，先以高压水射流逐管疏通再进行化学清洗。
Q2：列管式换热器化学清洗需要多长时间？
视垢层厚度与设备规模而定，典型循环清洗4~8小时，加上水冲洗、中和、漂洗与钝化工序，总工期通常1~3天。
Q3：化学清洗会腐蚀换热器管束吗？
不会。清洗全程投加与材质匹配的缓蚀剂，将腐蚀速率控制在标准允许范围内（碳钢一般不大于5 g/(m²·h)），并实时监测pH值和铁离子浓度，清洗后检查管束无异常减薄。
Q4：换热器清洗后能恢复多少换热效率？
规范清洗后传热系数可恢复至设计值的95%以上，压差回落、能耗下降，案例数据显示清洗投资通常在数个月内通过节能回收。
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系清洗剂用量或添加螯合助剂增强络合；含硅垢层需辅助硅垢专用助溶剂溶解。
第二，缓蚀剂选型必须严格匹配管材。碳钢管束配碳钢酸洗缓蚀剂，不锈钢管束用有机酸体系并充分钝化，铜管或铜镍合金管须添加铜管专用缓蚀剂——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。推荐使用专用复合钝化剂，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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