低温多效蒸馏海水淡化设备选材分析

低温多效蒸馏海水淡化设备选材分析

刘亚邦

山东电力建设第三工程有限公司 山东 青岛 266100

［摘要］在分析常用耐海水腐蚀材料性能特点的基础上，筛选出适合低温多效蒸馏海水淡化设备的材料。分析表明，蒸发器壳体及内件使用３１６Ｌ不锈钢，换热管使用钛管＋铝黄铜管的组合能耐海水腐蚀，满足强度要求，且成本相对较低。同时，给出了适合低温多效蒸馏海水淡化设备的盐水侧壳体、淡水侧壳体、换热管、管板和支承板、除雾器、海水布液喷头等的选用材料。

［关键词］低温多效蒸馏；海水淡化；材料；耐腐蚀；强度

设备的选材原则通常综合考虑材料的性能价格比、强度重量比、工艺性能以及在介质中的稳定性等因素。随着大型低温多效蒸馏海水淡化设备国产化水平的提高，选择满足制水工艺要求且价格低廉的材料是降低装备造价的关键。

１常用耐海水腐蚀金属材料的性能特点

低温多效蒸馏海水淡化蒸发器的壳体工作在真空状态下，而且各效蒸发室内部管、壳间压差按３ｋＰａ设计。通常按承受外压容器设计蒸发器，因此耐海水腐蚀成为低温多效蒸馏海水淡化蒸发器选材时优先考虑的因素。目前常用的耐海水腐蚀金属材料包括：３１６Ｌ不锈钢、双相不锈钢、Ｂ３３８ＧＲ２钛材、Ｃ６８７００铝黄铜和５０５２铝合金等。

（１）３１６Ｌ不锈钢美国牌号为Ａ２４０－３１６Ｌ，国内对应牌号为００Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍｏ２，含碳量≤０．０３０％，是一种超低碳的铬镍钼奥氏体不锈钢。极低的含碳量和

２％～３％的含钼量显著提高了其对还原性酸和各种有机酸、无机酸、碱、盐类的耐蚀性，在氧化性气中具有良好的耐海水腐蚀能力。３１６Ｌ不锈钢的导热能力较差，１００℃时热导率仅为１６Ｗ／（ｍ·Ｋ）。此外，此种钢仅在钝化状态下耐蚀性能好，而在活化状态下其耐蚀性甚至与碳钢接近。

（２）双相不锈钢的固溶组织中铁素体相与奥氏体相各占约５０％，在含碳量较低的情况下，铬含量在１８％～２８％，镍含量在３％～１０％。双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通奥氏体不锈钢，与高合金奥氏体不锈钢接近，可应用于氯离子含量较高的介质中。其主要特点是强度高，屈服强度可达４００～５５０ＭＰａ，是普通不锈钢的２倍。

（３）Ｂ３３８ＧＲ２钛材相当于国内的ＴＡ２。钛在空气和水中形成的致密ＴｉＯ２表面钝化膜在常见的腐蚀介质中很稳定，具有非常好的自愈合性，当钝化膜被破坏后能迅速修复并愈合形成新的保护膜。因此，钛材不仅能在含氧的溶液中，也能在除氧并含有任何浓度氯离子的溶液中保持钝态，并具有优良的耐冲蚀性能，可以允许海水流速达２０ｍ／ｓ以上，而一般铜合金仅能允许２．６ｍ／ｓ。钛材在２５℃天然海水中的自腐蚀电位约０．１Ｖ，与奥氏体不锈钢、铝黄铜的电偶腐蚀速率均小于１μｍ／ａ，可以在同一结构中安全使用。钛材的缺点是导热能力较差，工业纯钛０～８０℃的导热系数仅为１６Ｗ／（ｍ·Ｋ）左右。

（４）Ｃ６８７００铝黄铜国内对应牌号为ＨＡＬ７７－２Ａ，其耐海水腐蚀性能较好，导热能力强，热导率为１１３．０４Ｗ／（ｍ·Ｋ）。但铝黄铜耐冲击腐蚀能力较差，当海水中以沙粒为主的悬浮物超过５０ｍｇ／Ｌ，流速为０．５～１．３３ｍ／ｓ时，其均匀腐蚀速率可超过０．２ｍｍ／ａ。

（５）５０５２铝合金与国内牌号５Ａ０２类似，在较低的温度下（一般小于６８℃）具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性能，能在低温下保持良好的力学性能。

２选材分析

２．１换热管束

低温多效蒸馏海水淡化装置通常设计传热温差仅为２～４℃，考虑盐水沸点升高和流动损失等因素，大

部分换热管实际有效传热温差仅１℃左右，尤其在低温效，海水黏度增大后传热会恶化。因此在选择换热管的材料时，不仅要考虑材料的耐海水腐蚀性能，还要考虑材料的导热能力。

（１）钛管横管降膜蒸发器中，进料海水均存在过冷度，蒸发器上面数排管子需要预热进料海水，使之达到对应压力下的饱和温度。这部分换热管属单侧相变传热，且需直接承受进料海水的喷淋冲击，可以选用耐冲蚀和耐腐蚀性能良好的钛管作为该部分换热管。但由于钛管导热能力较差，不适合作为蒸发器主换热管。研究表明，换热管由壁厚１．０ｍｍ的铝黄铜管更换为壁厚０．５ｍｍ的钛管后，平均传热系数将降低１０％。此外，钛管的价格很高，如果主换热管选用钛管，必须依靠增加换热面积来满足总传热量要求，这将会加大设备直径并增加投资。

（２）铝黄铜管含有悬浮物的海水在蒸发器下面管排外部靠重力自然降膜流动，流速不大。因此，耐

海水腐蚀性能良好、导热能力强、但耐冲击腐蚀能力较差的铝黄铜管可以作为蒸发器的主换热管，该设计符合ＤＬ／Ｔ７１２—２０００《火力发电厂凝汽器管选材导则》中对介质流速的要求。

（３）铝合金管低温多效蒸馏海水淡化工艺中盐水最高温度仅７０℃，理论上５０５２铝合金作为蒸发器换热管材料的性价比极高。需采用先进的电化学腐蚀防护技术和海水预处理技术来控制海水对铝合金管的腐蚀，如离子陷阱、内外环氧涂层和牺牲阳极等。目前国内尚未完全掌握这些综合腐蚀防护技术，某低温多效蒸馏海水淡化工程采用了国外技术，其铝合金换热管在安装前全部运往国外进行防腐处理。

（４）３１６Ｌ不锈钢管３１６Ｌ不锈钢导热性能与钛材相当，比重却是钛材的近２倍，且价格较高，若选用３１６Ｌ不锈钢换热管需要更大的换热面积来补偿导热能力的不足，其成本接近钛管，因此３１６Ｌ不锈钢管也不适合作为低温多效蒸馏海水淡化蒸发器的换热管。但对于较高盐水温度的海水淡化工艺，如盐水最高温度达１１２℃的多级闪蒸海水淡化，３１６Ｌ不锈钢可以作为换热管的备选材料。

２．２壳体及内件

蒸发器为大直径薄壳圆筒体结构，通常筒身直径６ｍ以上、内壁厚度约１１ｍｍ，其底部与盐水直接接触，因此在选择壳体及内件材料时，应重点考虑材料的耐蚀和强度性能。此外，对管板和隔板要求使用板宽２８００ｍｍ左右的钢板。因此，选择壳体材料时不仅要考虑材料的加工性能，还要考虑材料的货源供应问题。

（１）３１６Ｌ不锈钢板３１６Ｌ不锈钢的耐蚀、强度及加工性能较好，市场货源稳定。由于蒸发器在负压状态下运行，外部加强筋只需考虑强度问题，因此蒸发器壳体可选用３１６Ｌ不锈钢板制造，壳体外部以碳钢加强圈加强，再设置保护层以防止湿空气和盐雾侵蚀。为避免不同材料电极电位差不同所引起的电化学腐蚀，除去换热管和海水布液喷头外，蒸发器壳体、壳体接管以及管板、隔板、支承板和除雾器等内部构件均可全部选用３１６Ｌ不锈钢材料。

（２）双相不锈钢双相不锈钢耐蚀性能好，屈服强度高，和铝黄铜、钛管的介质相容性与３１６Ｌ不锈钢类似，目前报价也与３１６Ｌ不锈钢基本相同，是一种很好的结构材料。但目前国内外的双相不锈钢供应厂商较少，且许多厂商所能提供的钢板最大板宽仅２０００ｍｍ，若采取拼焊，钢板变形问题较难处理。

（３）复合钢板选用３１６Ｌ不锈钢＋碳钢的复合钢板制作蒸发器壳体具有原材料成本上的优势，但相应厚度的复合板需要爆炸复合，使得加工成本增加。目前国内尚无供应商可以提供能满足板厚及板宽要求的板材，国外供应商也存在类似问题。

３结果

正常运行情况下，蒸发器内不会出现还原性气氛，３１６Ｌ不锈钢可保持钝化状态。蒸发器壳体及内件基本为同种材料，电极电位差小，铝黄铜与钛材、３１６Ｌ不锈钢与钛材的组合在运行工况下不会发生明显的电偶腐蚀。表１为低温多效蒸馏海水淡化蒸发器的典型用材组合，这些材料组合耐海水腐蚀，满足强度要求，成本相对较低，是安全可靠的蒸发器材料组合方案。

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