某型船造水機蒸發(fā)器除垢工藝研究

楊青松，馬青華，全玉臣

(1.91872部隊，北京 102442;2.廣州市人和清洗有限公司，廣東 廣州 510000)

某型船造水機蒸發(fā)器除垢工藝研究

楊青松1，馬青華1，全玉臣2

(1.91872部隊，北京 102442;2.廣州市人和清洗有限公司，廣東 廣州 510000)

針對某型船造水機蒸發(fā)器管壁結(jié)垢速度快、除垢困難的現(xiàn)狀，通過對結(jié)垢樣本定性、定量分析，并充分考慮環(huán)保、材料保護、除垢效果、貯藏期限等因素，采用正交試驗法研究確定了以乙醇酸、陰離子表面活性劑、EDTA等為主劑的能有效溶解碳酸鈣、硫酸鈣混合型垢專用復(fù)合型除垢劑及其相應(yīng)工藝，有效地解決了這一除垢難題。

蒸發(fā)器;除垢;工藝

某型船造水機是給主、副鍋爐提供水動力源的重要設(shè)備，蒸發(fā)器是造水機的核心部件。由于該型船為進口船舶，其蒸發(fā)器設(shè)計為適應(yīng)國外海區(qū)環(huán)境的耐蝕鈦合金材質(zhì)扁管式蒸發(fā)器，屬于靜止件，其工作壽命較長。然而，該型船在我國使用不久即出現(xiàn)蒸發(fā)器管壁結(jié)垢速度較快，進出水循環(huán)不暢，造水機造水能力不斷下降的現(xiàn)象，且所結(jié)垢質(zhì)地堅硬、致密，嚴(yán)重時造水機因堵塞喪失造水能力。據(jù)統(tǒng)計:某型船下水1年后造水量就由原來的2.1 t/h降為1.6 t/h;造水機每工作24 h，蒸發(fā)器就產(chǎn)生13～15 kg混合垢，該型船造水機平均工作約8 500 h后，即出現(xiàn)造水能力明顯下降的情形;工作約25 000 h即完全喪失造水能力。這一現(xiàn)象與相同海域的其它型船舶造水機蒸發(fā)器結(jié)垢速度相比，明顯過快?？梢姡舭l(fā)器結(jié)垢速度快已成為嚴(yán)重影響某型船造水機造水能力和使用壽命的突出問題，現(xiàn)已影響其正常的運行和使用，亟待進行研究解決。

解決上述問題有3個途徑:一是改變目前蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因改換設(shè)計需經(jīng)過充分、系統(tǒng)的論證，其周期長、風(fēng)險性大。二是研發(fā)國內(nèi)替代產(chǎn)品進行更換，按現(xiàn)行使用狀況，如果每工作25 000 h更換1臺蒸發(fā)器，每臺蒸發(fā)器售價按20萬元計算，某型船至報廢期間需數(shù)百萬元，費效比過高;且更換蒸發(fā)器費時費力，影響正常運行。因此，更換蒸發(fā)器只能是應(yīng)急的權(quán)宜之計，不具可行性。三是對該類型垢進行常溫除垢劑試驗研究，并制定可行性除垢方案，即研究適于清除該類型垢的除垢劑及其相應(yīng)的清洗除垢工藝。

1 結(jié)垢現(xiàn)狀

該型船蒸發(fā)器所結(jié)垢物質(zhì)地堅韌、致密、積塊大 (3 mm以上)，常處于蒸發(fā)器底部，船員所采取的冷噴、機械及化學(xué)等方式的除垢能力有限，僅靠當(dāng)前系統(tǒng)中的沖洗裝置及沖洗方式無法有效的清除垢物，致使造水機的造水能力迅速下降直至喪失。國內(nèi)數(shù)家科研院校 (所)及有關(guān)單位曾對此類垢進行過多次清洗研究，但均未能有效解決這一難題。

2 原因分析

結(jié)垢物化學(xué)成分分析，見表1。

表1 某型船蒸發(fā)器結(jié)垢物的主要成分

2.1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與工況

某型船造水機蒸發(fā)器為真空沸騰連續(xù)蒸發(fā)式蒸餾裝置，其管內(nèi)空氣為加熱介質(zhì)，管間為被加熱海水，蒸發(fā)器管束材質(zhì)為鈦合金，形狀為扁狀管。該裝置由蒸發(fā)器、汽水分離器、冷凝器組成，蒸發(fā)器位于造水機底部，呈水平布置，冷凝器位于其上部，兩者之間沒有汽水分離裝置，整個造水機蒸發(fā)器給水、加熱、冷卻、排鹽 (污)、抽氣 (真空)、凝水各系統(tǒng)并配有泵、閥件、鹽度計、真空表等協(xié)同工作。加熱介質(zhì)在管內(nèi)對管間的海水進行加熱使其沸騰汽化，濃鹽水經(jīng)排鹽口排出，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)汽水分離器分離后進入冷凝器，經(jīng)過冷凝后產(chǎn)生的淡水由冷凝水出口抽出送往鍋爐或淡水艙室;冷凝器內(nèi)的未冷凝氣體由真空泵抽出，確保裝置內(nèi)的真空度達93%以上。

2.2 原因分析

首先某型船所在海區(qū)海水中富含土壤膠體、氫氧化鎂、碳酸鹽、硫酸鹽等多種沉積鹽物，其次蒸發(fā)器采用耐蝕性最強的鈦金屬材料 (其最初設(shè)計思想是從根本上解決蒸發(fā)器管束腐蝕以避免其穿孔的問題，從而減少故障率)，因鈦材質(zhì)和換熱率高的扁狀管束樣式作為蒸發(fā)器的蒸發(fā)面，而鈦材質(zhì)較以前銅材質(zhì)換熱器耐污損性能差，使得海水中的微生物易于附著積聚。再加上蒸發(fā)器自身結(jié)構(gòu)特點、管束形狀、加熱介質(zhì)等因素，致使蒸發(fā)器管束間海水結(jié)垢速度較快。蒸發(fā)器管束與蒸發(fā)器管板呈垂直平行排列，管間隙較小，因而造成蒸發(fā)器扁狀管束大面與二次蒸汽上升路線呈垂直狀態(tài)，致使小氣泡上升阻力增大，便于大氣泡集聚;濃鹽水相對在蒸發(fā)器中停留時間延長，其濃度相應(yīng)加大。在同樣的工作壓力和傳熱溫差下，鹽水的濃度越大，難溶鹽含量超過溶解度就越多，生成的水垢就越多且速度也越快。當(dāng)結(jié)水倍率較小時，鹽水濃度大，流經(jīng)蒸發(fā)器的時間就長;這樣就給各類易于析出結(jié)晶的鹽類提供了沉積的機會和條件。大量沉積析出的難溶性垢物成分快速在扁狀管束上生成，造成管束間隙進一步變小，二次蒸汽上升通道的阻力進一步增大，大氣泡集聚加劇，鹽水濃度加速增大，造水工藝流程進入惡性循環(huán)狀態(tài)，直至水垢堵滿蒸發(fā)器側(cè)面乃至正面的整個空間，致使造水能力完全喪失。即大量難溶垢成分如CaSO4和CaCO3等析出沉積在扁狀管束間，蒸發(fā)器在無任何腐蝕和損傷的情況下被迫報廢。

1)蒸發(fā)器加熱海水溫度偏高。

由于某型船蒸發(fā)器加熱介質(zhì)為鍋爐回水或低壓飽和蒸汽，從原始設(shè)計就為海水被加熱溫度過高提供了條件。正常情況下，水垢主要是由海水中某些溶解度較低的鹽類沉積在受熱面上而形成的，海水中含量較高的氯化鈉 (NaCl)、氯化鎂 (MgCl2)和硫酸鎂 (MgSO4)，由于它們的溶解度高，且溶解度隨著溫度的升高而增大，因而一般是不易結(jié)垢的。蒸發(fā)器受熱面上的結(jié)垢都是溶解度較低的碳酸鈣 (CaCO3)、氫氧化鎂 (Mg(OH)2)及硫酸鈣(CaSO4)等。某型船蒸發(fā)器結(jié)垢物基本屬于以碳酸鈣 (CaCO3)、土壤膠體為主，以硫酸鈣(CaSO4)、硅酸鈣 (CaSiO3)為輔并伴生有 (Mg(OH)2)的混合型難溶海鹽水垢。垢物分析進一步證明了上述溶解度很小的鹽類成垢與否及水垢的增長速度，主要取決于海水的被加熱溫度;海水的蒸發(fā)溫度越高，蒸發(fā)器受熱面上水垢的增長速度就越快;因為隨著溫度升高，上述幾種鹽類的溶解度都將變小，海水中析出的水垢數(shù)量也隨之增多。

2)蒸發(fā)器加熱溫差過大。

一般情況下，造水機工作時，海水進口溫度為常溫、出口溫度為65～70℃、蒸氣溫度250℃、真空度大于93%。某型船造水機運行中的各項工況參數(shù)，因設(shè)計原因除真空度外其余各項工況參數(shù)均有超標(biāo)，特別是海水被加熱溫差偏大，進而造成受熱面附近局部地區(qū)的鹽水濃度過高。溶解度小的難溶鹽類快速析出、結(jié)垢速度加快、生成難溶的硫酸鈣 (CaSO4)混合型垢。某型船蒸發(fā)器正是由于其特殊結(jié)構(gòu)、加熱水溫高、傳熱溫差大，致使大量難溶垢成分CaSO4析出沉積在扁狀管束間，直至完全堵塞。

3 除垢工藝

3.1 除垢劑研究

在垢樣分析和結(jié)垢原因的基礎(chǔ)上，試配高效除垢劑進行相應(yīng)的除垢溶解實驗。

1)除垢劑配方篩選試驗原則。

(1)除垢劑各項技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合HG/T 2287－2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的各項指標(biāo)，即腐蝕率小于6 g/m2·h，洗凈率大于95%。

(2)貯存保質(zhì)期2年以上，固體便于運輸、存放，無毒、無味、不燃、不爆、性能穩(wěn)定，便于船員實施操作，簡易、安全、可靠。

(3)針對蒸發(fā)器材質(zhì)的特殊性，確保除垢劑配方中的各組分不得對鈦材造成氫損傷。

(4)固體除垢劑配制成液體過程中無劇烈放熱，化學(xué)反應(yīng)平緩，無刺激性氣味和易燃易爆氣體生成;清洗全過程安全穩(wěn)定。

除垢劑配方篩選嚴(yán)格按照上述原則要求，在確保材料安全的基礎(chǔ)上，充分考慮隨船運輸、安全存放、保管、清洗速度，便于船員自清洗等諸多因素。通過正交法對上百個配方進行研發(fā)配置，最后確定采用材料適應(yīng)性好、洗凈率高、安全、無毒、貯存期長，并便于船員使用的清洗配方。該除垢劑主要以乙醇酸、EDTA為主劑，輔助配有OP－10等表面活性劑、滲透劑、潤實劑、聚醚F－68消泡劑等輔劑復(fù)配而成，其主要化學(xué)分子式為HOCH2COOH。該除垢劑能快速與碳酸鹽、硫酸鹽等混合水垢產(chǎn)生反應(yīng)，與海鹽水垢形成剝離、溶解作用，達到除垢目的。其與蒸發(fā)器所結(jié)垢物的基本化學(xué)反應(yīng)如下:

該除垢劑在研究過程中進行了pH值的緩沖控制，確保了清潔效果又不產(chǎn)生腐蝕;pH值控制在4～5左右。

2)對蒸發(fā)器母材—鈦的安全防護。

清洗過程中設(shè)備母材不可避免的與酸、堿等介質(zhì)接觸，常常會伴隨著氫的析出，造成氫損傷。例如:酸洗時，氫由下列陰極過程產(chǎn)生:

上述陰極過程產(chǎn)生的氫原子 (H)部分復(fù)合成氫分子 (H2)從金屬表面逸出，少數(shù)部分?jǐn)U散滲入金屬內(nèi)部，擴散的驅(qū)動力是氫原子的濃度差。擴散滲透到金屬內(nèi)部的氫原子可以與鈦金屬元素化和生成氫化物，可以復(fù)合成氫分子;還可以發(fā)生金相變化，改變鈦金屬的性能。原子氫在鈦材內(nèi)部可能生成脆性的TiH2，明顯降低鈦材料的強度，對蒸發(fā)器造成氫損傷，而且這種氫損傷比鋼鐵設(shè)備產(chǎn)生的氫損傷還要嚴(yán)重得多，即使通過失效和加熱，變脆的鈦設(shè)備的塑性也無法恢復(fù)。因此，在鈦設(shè)備采用酸洗時，應(yīng)特別注意氫損傷。該除垢劑研制配方過程中成功地避免了上述問題，選用溫和安全的乙醇酸等作為清洗主劑，有效的防止了常規(guī)酸堿與鈦材料蒸發(fā)器反應(yīng)而造成的氫損傷。

3)選用優(yōu)良緩蝕劑，確保清洗過程對蒸發(fā)器的緩蝕效果。

鈦一般條件下易氧化，并在其表面生成一種惰性的、吸附力強的Ti02保護膜。該保護膜具有極好的耐蝕性。但鈦在可溶解的TiO2保護膜和限制TiO2保護膜生成的介質(zhì)中是不耐蝕的。如在氫氟酸中，在加熱時與鈦發(fā)生反應(yīng)生成TiF4(化學(xué)反應(yīng)方程式為Ti+4HF=TiF4+2H2);氫氟酸是鈦的最強溶劑，即使是濃度為1%的氫氟酸，也能與鈦發(fā)生激烈的反應(yīng) (化學(xué)反應(yīng)方程式為2Ti+6HF在純的非氧化性酸如:鹽酸、硫酸，鈦同樣是不耐蝕的，其腐蝕速率隨酸的濃度、溫度升高而增大。鈦在氫氟酸中的腐蝕，一般認為是TiO2保護膜被擴散到表面的氫氟酸溶解了，F(xiàn)－充當(dāng)了破壞TiO2鈍化膜的離子，鹽酸、硫酸在產(chǎn)品加工提純過程中均含有F－。為確保對蒸發(fā)器進行安全有效清洗，該除垢劑研制過程中首先棄選鹽酸、氫氟酸、硫酸等易對鈦金屬可能造成F－傷害的純非氧化性酸。在有機和無機緩蝕劑中選用有利于或促進TiO2鈍化保護膜生成的高效優(yōu)質(zhì)緩蝕劑。經(jīng)數(shù)十次緩蝕效果對比試驗，最后優(yōu)選確定緩蝕率達98.9%以上的包含NaNO2、KMnO4、NaClO3等強氧化性的無機化合物試配的固體鈦金屬緩蝕劑。

4)除垢劑性能評定試驗。

(1)腐蝕率。

對不同金屬材質(zhì)的試片進行取樣，在該除垢劑中進行6 h浸泡實驗，以評定其腐蝕率。該除垢劑對金屬的腐蝕率通過實驗詳見表2。

表2 除垢劑在不同濃度下的腐蝕率

從表2可以看出:在常溫狀態(tài)下，清洗時間6 h，除垢劑濃度為3% ～10%時，鈦的腐蝕率均小于或等于0.003 g/m2·h。實驗充分驗證了該除垢劑常溫下使用是安全可行的。

(2)除垢率。

該除垢劑的溶垢效果通過實驗詳見表3。

表3 除垢劑在不同濃度下的溶垢效果 (除垢率)

從表3可見，該除垢劑在常溫狀態(tài)下，3%～10%濃度均有良好的溶解能力，因濃度不同，時間長短不同，根據(jù)垢層厚度選擇不同濃度，4～10 h可以完成設(shè)備的清洗除垢工作。

3.2 除垢工藝的確定

針對某型船蒸發(fā)器結(jié)垢的現(xiàn)狀，為保障造水機正常造水能力，在研制除垢劑的基礎(chǔ)上，總結(jié)制定了相應(yīng)的除垢工藝。

1)清洗時機的選擇。

清洗時機應(yīng)在總結(jié)設(shè)備運行周期和結(jié)垢之間關(guān)系的基礎(chǔ)上確定。蒸發(fā)器傳熱面是否結(jié)垢和結(jié)垢的程度，可從制淡能力下降情況和出水率等運行參數(shù)上反應(yīng)出來。這時，只要總結(jié)出運行參數(shù)的變化與結(jié)垢厚度對出水率影響兩者之間的變化情況，即可確定蒸發(fā)器是否應(yīng)該進行清洗。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)出水率已出現(xiàn)明顯下降 (即造水能力為1.7～1.8 t/h)，蒸發(fā)器傳熱面上的結(jié)垢已超過0.5～1.0 mm，應(yīng)視情清洗;當(dāng)水垢厚度超過2.0 mm，出水率將下降25% ～30%時 (即造水能力為1.5 t/h～1.6 t/h)，此時就必須對蒸發(fā)器進行清洗。否則，蒸發(fā)器的扁狀管束間隙將被水垢局部堵死，此時結(jié)垢速度異常加快，再清洗，將非常困難。

2)清洗操作程序。

當(dāng)造水機出水率接近或已達到清洗時間選擇標(biāo)準(zhǔn)時，必須按如下程序清洗。

(1)根據(jù)某型船蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特性，針對清洗過程中生成的大量氣體匯集上行的特點，清洗時必須按照清洗劑從低位注入，從最高位回液的要求，便于大量氣體從高位順利排出，杜絕產(chǎn)生氣塞，影響清洗質(zhì)量和效果。

(2)清洗開始后，應(yīng)注意蒸發(fā)器內(nèi)的反應(yīng)劇烈程度，當(dāng)水垢較厚時，第一次注入的清洗劑反應(yīng)十分激烈，清洗劑濃度消耗非常大，通常第一箱清洗劑剛注入蒸發(fā)器內(nèi)，濃度將很快消耗并降低，因此，應(yīng)按照分多次裝藥液清洗的操作原則。一般情況下，當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)水垢超過1.5 mm時，蒸發(fā)器需清洗2～3次方能徹底洗凈。

(3)在清洗過程中，要注意反應(yīng)的狀態(tài)，清洗時間通常在6～8 h即可初步判斷清洗是否結(jié)束。當(dāng)清洗反應(yīng)平緩或無反應(yīng)時，即可將蒸發(fā)器內(nèi)的清洗廢液排出，通過監(jiān)視孔或檢查道門確認洗凈情況。如難以確定對除垢劑濃度的判斷是否有效時，可以用燒杯在配藥箱內(nèi)裝取一些除垢液，將蒸發(fā)器內(nèi)提取的垢樣放入燒杯，觀察水垢溶解反應(yīng)情況。除上述方法外，還可用精密試紙定時測量清洗液的pH值加以準(zhǔn)確判斷。當(dāng)pH值在3.5左右時可認為藥劑基本反應(yīng)完畢，這時可根據(jù)清洗需要添加除垢藥劑，如果此時水垢已經(jīng)除盡可結(jié)束清洗。

(4)確認清洗結(jié)束后，因除垢劑對蒸發(fā)器鈦材管束無腐蝕且可促進其自鈍化，故可直接用淡水進行沖洗，而無需進行鈍化處理。某型船蒸發(fā)器清洗除垢工藝流程如下:組合工藝系統(tǒng)→水沖洗、試漏→配置清洗劑→化學(xué)清洗→排放廢液→淡水漂洗→拆卸工藝系統(tǒng)→原系統(tǒng)回復(fù)→驗收、交付使用。

4 實驗室試驗情況

通過從拆解報廢的蒸發(fā)器上進行清洗實驗，該除垢劑只用8 h就將蒸發(fā)器管束間堵塞的難溶垢物基本清除，洗凈率高達98%。

5 結(jié)束語

以上研究證明，該除垢劑具有操作簡便、安全、無毒、高效、貯存方便等特點，適用于清除鈦、鋼、銅及鋁質(zhì)材料表面的沉積物，且抗氫脆性能優(yōu)越，腐蝕輕微、無毒性，廢液處理簡單方便，較好地解決了某型船造水機蒸發(fā)器結(jié)垢難題。使用該除垢劑，同時還會在金屬表面形成保護膜，防止金屬腐蝕。該除垢劑雖含多種化學(xué)酸，但屬于混合型、低腐蝕率，其對金屬腐蝕率低于國家同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從根本上解決了強酸清洗液對管壁的腐蝕問題，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。定期對蒸發(fā)器進行清洗，是解決其因設(shè)計缺陷造成結(jié)垢速度過快，影響正常造水能力，進而避免換新，節(jié)約和降低裝置維修費用的有效途徑。這是目前解決某型船蒸發(fā)器自身完好無損，只因結(jié)垢堵死傳熱面管束被迫提前報廢的最好措施。

The situation of the fresh water generator of certain ship is that water dirt on the pipe wall of the evaporator is formed quickly and cleaned up hard.According to the above mentioned status，the corresponding process was determined through the qualitative and quantitative analysis to the water dirt，full consideration to environmental protection，material protection，cleaning effect for water dirt and storage time.Orthogonal test was used to prove the special compound detergent，which consists of sodium glycolate，anion surfactant and EDTA base，effectively removing water dirt from the fresh water generator of the ship with the characteristics of dissolving dirt mixed sulfate and calcium.

evaporator;deterge;process

U673

C

1001－8328(2012)01－0028－04

楊青松 (1973-)，男，安徽五河人，工程師，碩士，主要從事船舶腐蝕與防護工作。

2011－07