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超薄壁钛焊管在蒸馏海水淡化中的应用

来源:至德钢业 日期:2020-05-31 02:41:00 人气:970

为了研究超薄壁钛焊管在蒸馏海水淡化中的应用技术对超薄壁钛焊管的热交换性能力学性能腐蚀性能防止微生物附着以及析出不可凝缩的气体等进行了研究分析并且与铜管不锈钢管进行了对比研究结果表明超薄壁钛焊管是蒸馏海水淡化装备的核心部件其壁厚已批量用到0.4 mm甚至更薄产品的换热性能力学性能耐腐蚀性能优异是蒸馏海水淡化换热管的首选材料

水资源缺乏已成为全世界最为关注和迫切需要解决的重要问题之一在解决沿海地区淡水资源紧张的诸多方法中,海水淡化是一种切实可行且行之有效的办法十三五国家科技创新规划中将海水淡化作为重要的生态环保技术,列入健全支撑民生改善和可持续发展的技术体系;将海水淡化作为发展海洋资源高效开发、利用和保护技术列入发展保障国家安全和战略利益的技术体系,提出突破低成本、高效能海水淡化系统优化设计、成套和施工各环节的核心技术;将海水淡化作为与一带一路沿线国家的合作研究的重要内容之一,打造一带一路协同创新共同体。因此,把海水淡化水作为重要的生活饮用水是未来重点发展的产业之一。目前,海水淡化技术已成为中东等水资源缺乏地区获取淡水的主要方式,如卡塔尔和科威特90%以上的饮用水来源于海水淡化水

国际上海水淡化主流技术主要有低温多效MED)、多级闪蒸MSF和反渗透膜RO三大技术。早期MSFMED蒸馏海水淡化设备中的换热管主要使用的是铜合金管,其换热效率好,但耐腐蚀性能差,并且容易结垢,水垢处容易滋生细菌和病毒,不仅会加速铜管腐蚀,还会释放出有害物质,对海域水质造成污染。用钛管代替铜合金管,在选材方面有独特的优势,尤其采用超薄壁钛焊管,可使用壁厚为0.4 mm,甚至更薄,有效降低设备成本,提高了设备使用寿命,减小了设备的维护了维修频率,确保设备安全有效运行

1蒸馏海水淡化装置换热管用超薄壁钛焊管的性能要求

1.1热交换性能

在蒸馏海水淡化装置中热量通过热交换器进行传递。在整套海水淡化装置中,热交换管占比非常大。因此,要使热交换器的热交换性能尽可能高,并且在使用过程中不会逐渐降低,最关键问题要注意换热管材料的选取,还应注意供冷凝使用的源蒸汽中不可凝缩的气体含量、管道内外的水垢沉积、蒸发器内管束表面的湿润程度等问题,其中不可凝缩的气体会严重影响热交换的效率

从海水淡化装置中的换热管材来看,主要涉及的材料有铜合金、不锈钢和钛材33种材料的物理性能不同,其面积热阻和总传热系数也不同。虽然钛的导热系数不及铜合金材料,但因其具有优异的耐海水腐蚀能力和高强度性能,在设计上可以不考虑其腐蚀裕量,可通过减薄壁厚来弥补其导热系数的不足,即钛管壁厚可以采用0.4 mm甚至更薄。而现用的铜管壁厚通常约为1.0 mm。虽然薄壁钛管的导热性比铝黄铜差,但与B10B30相差不大,比不锈钢TP316L。根据表2数据分析,以Φ19 mm×0.4 mm TA2钛管的面积热阻为基准Φ19 mm×1.0 mm B10铜管Φ19 mm×1.0 mm B30铜管Φ19 mm×0.7 mm TP316L不锈钢管的面积热阻分别为钛管的109.1%112.6%112.7%;以Φ19 mm×0.4 mm TA2钛管的总传热系数为基准Φ19 mm×1.0 mm B10铜管、Φ19 mm×1.0 mm B30铜管、Φ19 mm×0.7 mm TP316L不锈钢管的总传热系数分别为钛管的91.7%88.8%88.7%。由此可见,相同外径的超薄壁钛焊管的面积热阻相对铜管、不锈钢管要小,总传热系数要高。另外,钛管表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,滴状冷凝可以最大程度的减少热阻,并且钛表面不易结垢,可减少热阻,使钛的换热性能显著提高

1.2力学性能

换热管在蒸馏海水淡化设备中的应用其强度的可靠性是保证淡化设备安全运行的前提和基础3种不同材料的换热管的力学性能差异较大。

从表3可以看出TA2钛的密度是白铜B10B3050.7%,是不锈钢TP316L57.2%,钛的屈强比比白铜B10B30和不锈钢TP316L,加之钛优异的耐海水腐蚀性能,在海水淡化领域具有独特的应用优势

目前,超薄壁钛焊管在海水淡化中已批量应用,典型Φ22.22 mm×0.4 mm TA2超薄壁钛焊管力学性能分析结果如图1~3所示。从图1~3可以看出超薄壁钛焊管的抗拉强度可以稳定在445 MPa左右Rp0.2可以稳定在320 MPa左右A50可以稳定在36%左右,焊管母材和焊缝的硬度差异不大

为了分析超薄壁钛焊管力学性能的稳定性和一致性,试验选取了450多批超薄壁钛焊管进行力学性能离散度的统计分析,分析结果见表4。从表4可以看出,超薄壁钛焊管的稳定性和一致性非常好

1.3腐蚀性能

蒸馏海水淡化装置所用材料的腐蚀性受很多因素的影响包括温度、海水pH、水中O2CO2的含量以及水被氧化性离子S2-NH4+)污染的程度等。由于海水具有腐蚀性,特别在高温下腐蚀性更强,材料的选取需要特别谨慎[7]。蒸馏海水淡化装置中的蒸发器和冷凝器中所有与海水、盐水或不可凝缩气体接触的部件都要使用耐海水腐蚀材料

蒸馏海水淡化装置换热管材料的选择主要基于3方面的考虑材料的强度材料的耐腐蚀性能材料的热传导性能。因此,从材料性能、可靠性、使用寿命、维修等方面综合考虑,钛金属质轻、高强、耐蚀,特别对盐水或海水和海洋大气环境的侵蚀有免疫能力,是优质轻型结构材料,被称为海洋金属,是重要的战略金属材料[8]。超薄壁钛焊管作为蒸馏海水淡化装置的换热管无疑是最具竞争力的,其主要特性有

1)密度小,比强度强度/密度。钛的密度为4.51 g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍,为钢的60;钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。钛的比强度位于金属之首,是不锈钢的3,是铝合金的1.3

2)耐腐蚀性能好。钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上,钛在许多介质中很稳定,在氧化性、中性和弱还原性等介质中耐腐蚀强,这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧介质中,钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性,即使机械磨损也会很快自愈或重新再生,这表明了钛具有强烈的钝化倾向

在蒸馏海水淡化装置中材料的腐蚀速率对装备使用寿命及维护维修等起着重要作用。表5为主要换热金属在平静海水中的腐蚀速率,其中钛的年腐蚀速率为零,是一种极其安静的金属。即便如此,为了保护钛管,在传热过程中考虑采用牺牲阳极保护。如果淡化水为饮用水,阳极材料一般采用铜或碳钢,如图4所示

在蒸馏海水淡化换热过程中还会受到冲蚀腐蚀的影响当海水以一定的速度冲刷金属表面时,表面起保护作用的金属氧化物腐蚀速度成倍提高,基材更容易受到侵蚀。为避免冲蚀影响,美国腐蚀工程师协会NACE推荐的金属材料海水流动速率限制值见表6

当试验条件为23℃海水流速8.0 m/s、砂粒直径50μm、冲刷150 h,钛与铜合金均匀腐蚀速率如图5所示

从表6和图4以及实际运行经验可以得出当海水中悬浮颗粒和泥沙含量超过一定值,采用铜合金换热管时海水流速不应超过2.0 m/s,而钛管能够承受的海水流速远远高于2.0 m/s,这也是蒸馏海水淡化装置选用超薄壁钛焊管的原因之一

2014,国内首台全钛海水淡化装置由神华国华电力自主开发,选址舟山电厂,单机产水量1.2×104 t/d,采用带蒸汽热压缩器的低温多效蒸馏海水淡化MEDTVC技术,换热管采用0.4 mm超薄壁钛焊管20156月海水预处理系统调试出水投产运行至今,换热管没有出现任何问题

1.4生物腐蚀和附着

海水中动植物的繁殖速度很快,这将会带来很多问题,包括管道的局部堵塞、腐蚀、冲蚀和热传导性能下降等

为了应付水生物的攻击,可以在取水口处向海水中注入氯气等杀生药剂,从而在它们成长的初期破坏其机体。加药量取决于当地的海水特性和季节条件,通常使用脉冲式注射器向海水中连续不断地加药。同时为了避免淡化装置受到腐蚀,在进入装置前,海水中残余的游离氯的含量应小于0.000 01%

氯气制备最简单的方法是电解制氯。一部分海水流经电解器在电的作用下生成H2Cl2,将H2排出并将Cl2转化成次氯酸钠,以适当的流速注入海水中[10]。使用这种高灵活性和完全自动化技术,可以省去液态氯或次氯酸盐的储存装置,并且避免由此可能产生的危险

钛焊管因材料具有良好的生物相容性,因此钛合金在海水中的生物污损问题比其他金属更为严重,钛管内部防污方法见表7,国内外对钛管防污方法的研究见表8

实践证明在海水流速为3~5 m/s,钛制海水淡化设备中的生物污堵现象是最轻微的,钛换热器的污堵系数约为0.99~0.95。以色列在蒸馏海水淡化装置中的卧式蒸发器设备的上层管束就专门采用钛管,大连石化曾在一催化装置海冷器上使用过钛材质20余年来仍运行良好,没有微生物附着

1.5不可凝缩的气体

在大量海水流经蒸发器的同时,由于装置在真空状态下运行,海水中溶解的气体将会被释放出来空气和CO2)。在化学药剂的作用下,一些不可凝缩的气体也会从水中释放出来,水垢的沉积将会随之减少。由于低温表面附近局部压力的增加,这些气体对热交换的效率有很大影响。局部小气泡将逐渐变大而形成一道热屏障,这对于冷凝器的热交换非常不利。因此必须对蒸发器内部的气体进行正确的排放。使用空气泵抽出不可凝缩的气体,最常见的方法是使用蒸汽或水喷射器将气体吸出

2超薄壁钛焊管的应用优势

2.1设备轻量化

钛密度小比重约为铜管的1/2。采用超薄壁钛管在降低设备单重方面有着显著效果,这也是设备向轻量化发展的必然趋势

2.2单位成本低

采用超薄壁钛管单位成本明显低于铜合金管,大大降低了设备成本;与铜管相比,虽然每吨钛管的价格比铜管贵,但是钛管的壁厚可以使用铜管的一半甚至更薄,加之钛的密度低于铜管,计算得出单位长度的钛管价格并非比铜管高,投入成本小,超薄壁钛焊管与铜管经济性对比见表9

2.3维护成本低

钛管的耐腐蚀性能远远高于铜管使得整机设备使用寿命较长,设备维修成本大大降低

2.4耐蚀性好

根据国外电厂运行经验表明,白铜管的使用寿命只有3~5,而对设计使用30年的机组来说,频繁更换凝汽器不仅要花费大量的人力、物力和财力,而且可能降低电厂的运行安全和效率Kyushu电力的Minato电厂1号机组156 MW中使用超薄壁钛管Φ25.4 mm×0.3 mm×8 647 mm,运行15年后,将其卸下进行质量检查,结果表明,钛管各项性能指标均符合要求

2.5环保优势明显

因铜合金管具有优异的导热性能,曾被应用于各种换热装备中,但其耐腐蚀性能差,并且容易结垢,水垢处易滋生细菌和病毒,不仅会加速铜管腐蚀,还会释放出有害物质,对海域水质造成污染。钛因其优异的腐蚀性,在使用过程中不但不易结垢,而且对水质没有任何污染

3结束语

海水淡化是沿海国家解决水资源短缺、保护生态环境促进经济可持续发展的重要举措。随着世界人口的增长和经济的快速发展,全球水资源危机不断加剧,海水淡化在解决全球缺水问题中发挥着越来越重要的作用,应用海水取代日益紧张的淡水作为工业冷却介质,可以节约大量的淡水资源,获得显著的经济效益

超薄壁钛焊管因其自身具有稳定的钝化膜以及自我修复功能,在海洋大气、海水环境中具有优异的耐腐蚀性能,也耐湿氯气及氯化物溶液的腐蚀。其应用在蒸馏海水淡化装置中,不但降低了设备投资成本,也可以保证设备使用寿命,确保设备高效安全运行。随着海水淡化行业的迅速发展,超薄壁钛焊管的用量也将会越来越多,使用范围也将越来越广

本文标签:焊管 

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