中國(guó)海水淡化用銅合金管的生產(chǎn)應(yīng)用及發(fā)展

王碧文

(中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì),北京 100038)

0 前 言

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,淡水、電力供應(yīng)將處于長(zhǎng)期緊張狀態(tài).冷凝管是發(fā)展海水淡化、火電、核電和艦船的關(guān)鍵材料,國(guó)內(nèi)供應(yīng)短缺,生產(chǎn)工藝落后,生產(chǎn)成本高,尚無(wú)專業(yè)化的生產(chǎn)基地和穩(wěn)定的供貨渠道,不利于冷凝管生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高[1].為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大力發(fā)展銅合金冷凝管產(chǎn)業(yè),建設(shè)生產(chǎn)基地十分重要.特別是2012年國(guó)務(wù)院文件[國(guó)發(fā)辦(2012)13號(hào)]關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)中指出:海水淡化對(duì)保障水資源持續(xù)利用具有重要意義.國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)踐表明,銅合金冷凝管是海水淡化產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料,因此建設(shè)和發(fā)展銅及合金冷凝管產(chǎn)業(yè),建設(shè)生產(chǎn)基地是十分重要的.

1 市場(chǎng)需求和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

人們從事冷凝管的生產(chǎn)和應(yīng)用實(shí)踐己有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史,冷凝管主要用于火力發(fā)電機(jī)組、艦船、海水淡化、制糖、制鹽和化工等行業(yè)中的管式熱交換器.冷凝管常用合金有:內(nèi)陸電站用HSn70-1、海濱電站用HAl77-2、艦船用BFe30-1-1、BFe10-1-1等.隨著火力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加以及核電的發(fā)展冷凝管用量不斷增加,冷凝管單根長(zhǎng)度也不斷增長(zhǎng).以60 萬(wàn)kW發(fā)電機(jī)組為例,共需長(zhǎng)度為14.6 m的冷凝管400 t,海水淡化用BFe10-1-1管材長(zhǎng)度已達(dá)18 m,常用冷凝管規(guī)格為直徑16～30 mm、壁厚1.0～1.5 mm.目前國(guó)內(nèi)外冷凝管都使用擠→軋→拉直條法生產(chǎn),尚未實(shí)現(xiàn)盤式生產(chǎn)法.冷凝管的應(yīng)用中銅及銅合金管受到薄壁不銹鋼管、鈦管的挑戰(zhàn),但是其防污、防海洋生物生長(zhǎng)的能力遠(yuǎn)不如銅、鈦管的成本高,這也限制了它在冷凝管中的應(yīng)用,所以銅及合金冷凝管仍然具有廣闊的發(fā)展空間.

1.1 海水淡化用蒸發(fā)和冷凝用銅合金管

海水淡化有膜法和熱法兩種.其中熱法的蒸發(fā)和冷凝裝置中大量采用銅合金熱交換管,產(chǎn)水量1萬(wàn)t/日的裝置需銅合金冷凝管300 t,國(guó)際上多級(jí)閃蒸法用白銅熱交換管(BFe10-1-1、BFe30-1-1),每年達(dá)6萬(wàn)t,低溫多效蒸餾法用黃銅(HAl77-2)每年達(dá)3萬(wàn)t.國(guó)內(nèi)海水淡化裝置中熱法為低溫多效蒸餾法,2020年前平均每年需要4 500 t鋁黃銅冷凝管(相當(dāng)于每年新增15萬(wàn)t/日產(chǎn)淡水能力).

1.1.1 多級(jí)閃蒸

在若干年內(nèi)的國(guó)際范圍內(nèi),多級(jí)閃蒸仍將是一種常用的海水淡化技術(shù),但在國(guó)內(nèi)基本不會(huì)有市場(chǎng).從材質(zhì)看,白銅仍將是傳熱管的主流材質(zhì).目前國(guó)際市場(chǎng)上多級(jí)閃蒸的每年合同量約為200萬(wàn)t/日,需要白銅約6萬(wàn)t/年.

1.1.2 低溫多效

低溫多效蒸餾海水淡化裝置的每年新增產(chǎn)量在快速增加,鋁黃銅和鋁合金將共同占據(jù)傳熱管的主要市場(chǎng).目前國(guó)際市場(chǎng)上低溫多效蒸餾的年合同量約為100萬(wàn)t/日.對(duì)于一臺(tái)產(chǎn)水能力1萬(wàn)t/日的低溫多效蒸餾海水淡化裝置,傳熱管用量約為300 t黃銅.如果全部使用鋁黃銅,需求量約為3萬(wàn)t/年.

1.2 電站用冷凝管

冷凝管主要用于管式熱交換器,主要應(yīng)用領(lǐng)域是火電、核電、海水淡化和艦船.其中電站用冷凝器管約占70%,其需求量與國(guó)家發(fā)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)緊密相關(guān),2005年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為:

水電 1.174億kW 占22.7%

火電 3.914億kW 占75.7%

核電 685億kW 占1.32%

“十一五”火電裝機(jī)容量達(dá)5.8億kW,新增2億kW.火力發(fā)電以發(fā)展60萬(wàn)kW級(jí)電站為主,鼓勵(lì)整體煤氣化燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)電站、坑口電站、天然氣發(fā)電,加快淘汰落后的小火電機(jī)組.核電總規(guī)模達(dá)1 000萬(wàn)kW,重點(diǎn)建設(shè)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站.以5 t/萬(wàn)kW計(jì)算,約需要10萬(wàn)t銅冷凝管.但考慮到50%為鋼管所代用,電站用銅冷凝管約為5萬(wàn)t,電站及海水淡化等用銅冷凝管約為5萬(wàn)t.

根據(jù)《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》,預(yù)計(jì)到2020年,我國(guó)海水淡化能力達(dá)到250～300萬(wàn)t/日,但按照目前的發(fā)展趨勢(shì),有可能突破規(guī)劃數(shù)據(jù).按照到2020年新增淡化能力300萬(wàn)t/日計(jì),其中低溫多效蒸餾的市場(chǎng)份額可能達(dá)到150萬(wàn)t/日.如果全部使用鋁黃銅,需求量約為4.5萬(wàn)t.

火電、核電發(fā)電的基本原理是依靠蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī),進(jìn)而使發(fā)電機(jī)工作,蒸汽作功后需要冷凝成水分重新返回鍋爐.冷凝器的功能就是使蒸汽變?yōu)槔淠?常用冷凝器為管狀冷凝器,由數(shù)量眾多的冷凝管組成(如圖1、圖2).在冷凝器中冷凝管外部為待冷卻的蒸汽,管內(nèi)通過(guò)冷卻水.銅合金是重要的冷凝管材料,具有良好的熱交換性能和優(yōu)良的耐內(nèi)陸水質(zhì)和海洋水質(zhì)的腐蝕性能.常用冷凝管銅合金分為兩大系列:即適應(yīng)內(nèi)陸水質(zhì)的錫黃銅冷凝管和適應(yīng)海水介質(zhì)的鋁黃銅冷凝管、白銅冷凝管.這些冷凝管不但廣泛應(yīng)用于火電、核電,而且在軍事艦船(核動(dòng)力潛艇、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦)、海水淡化工程中有著重要的用途.

1.3 船用冷凝器(鐵白銅冷凝管)

主要用在艦船用柴油機(jī)主機(jī)空冷凝氣管材、船用汽輪機(jī)、潤(rùn)滑油冷卻器、海水冷凝氣、海水淡化冷卻器、空氣冷卻器、潤(rùn)滑油冷卻器、燃油冷卻器和液壓冷卻器等艦船的關(guān)鍵組件上.其銅合金牌號(hào)根據(jù)冷卻介質(zhì)有不同的選擇,主要采用鐵白銅、錫黃銅等.產(chǎn)品多為常用規(guī)格,其質(zhì)量要求較高,特別是軍用艦船.世界上第一艘核動(dòng)力艦船鐵白銅冷凝管用量為30 t.冷凝管在我國(guó)船舶工業(yè)中的用量較大,約為6萬(wàn)t/年.

圖1 火電及艦船動(dòng)力系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of the thermal and warship power systems

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圖2 管式主冷凝器Fig.2 The tube main condenser

我國(guó)船用換熱器、冷凝器制造業(yè)比較落后,產(chǎn)品主要供應(yīng)國(guó)內(nèi)船舶,僅有少數(shù)企業(yè)制造的產(chǎn)品符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).目前我國(guó)建造的出口船舶上裝的船用換熱器、冷凝器很多依靠進(jìn)口,大型出口船舶用的板式冷凝器幾乎全部需要進(jìn)口.

據(jù)幾大造船廠的調(diào)查了解,中國(guó)造船企業(yè)承造的出口船舶所用的船用換熱器、冷凝器和其他電器設(shè)備,基本上都是由外國(guó)船東指定供貨商.目前我國(guó)銅制造企業(yè)主要向這些國(guó)家的制造廠商提供船用換熱器、冷凝器上使用的銅管.

海水管系主要為銅鎳合金材料,B10材料是一種能在海水中形成良好保護(hù)膜的耐蝕材料.由于它具有良好的綜合性能和成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),早已成為海水管系的傳統(tǒng)材料.B10在國(guó)內(nèi)外各種海水管系中已被廣泛采用.一條FPSO浮式儲(chǔ)油輪海水管系用量約為200 t、石油鉆井平臺(tái)用量約為250 t、4 780 kW拖輪用量為5～6 t,此外在豪華游船、快艇等軍用船舶上也大量使用.目前,我國(guó)出口船舶上使用的白銅管國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn),大部分依靠進(jìn)口.鋁黃銅冷凝管規(guī)格較多,常用加熱管規(guī)格為φ42～44 mm×2 mm×6 000 mm,連接管規(guī)格為φ56 mm×6 mm×6 000 mm，主要用于原油船用熱交換管材.原油船由于原油黏度較高,而海上溫度有時(shí)很低,需要將原油加熱以便于輸出.熱交換用管材按照計(jì)算出的必要的換熱面積敷設(shè)于油船的底部及四壁,用量較大.此外船用柴油機(jī)上使用的油冷器、水冷器上也大量使用鋁黃銅冷凝管,一般一臺(tái)大型低速船用柴油機(jī)用量約為8～10 t.

1.4 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)

我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速,2005年前建設(shè)52座火電站,裝機(jī)容量總計(jì)5 400萬(wàn)kW,所建設(shè)發(fā)電機(jī)組均為30萬(wàn)kW和60萬(wàn)kW大型機(jī)組,所需冷凝管均為超長(zhǎng)冷凝管.在發(fā)展電力工業(yè)中,突出發(fā)展清潔能源,核電發(fā)電能力將增長(zhǎng)10倍,核電多為海濱電站.艦船業(yè)發(fā)展將超過(guò)以往各歷史時(shí)期.海上石油開(kāi)采和海水化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾.海水淡化產(chǎn)業(yè)將以水-電聯(lián)產(chǎn)模式迅速發(fā)展.我國(guó)有遼闊的海疆,大力推進(jìn)圍繞海洋的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)的國(guó)策,因此對(duì)超長(zhǎng)冷凝管的需求更為迫切.冷凝管需求預(yù)測(cè)見(jiàn)表1.

表1 冷凝管需求量預(yù)測(cè)Table.1 The prediction of the demand of condenser tubes (萬(wàn)t)

2 銅合金冷凝管生產(chǎn)制造技術(shù)

2.1 合金成分

常用冷凝管合金成分見(jiàn)表2.

表2 常用冷凝管合金成分Table 2 The composition of common condenser tube alloys

2.2 生產(chǎn)方法

現(xiàn)代冷凝管的主要生產(chǎn)方法有傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法和中國(guó)的上引-冷軋法.

2.2.1 傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法

傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法如下：

生產(chǎn)裝備如圖3所示.

2.2.2 中國(guó)的上引-冷軋法

中國(guó)的上引-冷軋法如下：

生產(chǎn)工藝:上引連鑄管坯φ65 mm×5 m-高速冷軋φ40 mm×1.5 m-冷拉φ19 mm×0.75 m-光亮退火.

2.3 工藝方案比較

由兩種生產(chǎn)工藝的比較(見(jiàn)表3)可知,短流程工藝具有流程短、電耗低、加工費(fèi)低和成品率高等優(yōu)點(diǎn)，因此,推薦選擇中國(guó)創(chuàng)新工藝.

表3 兩種生產(chǎn)工藝的比較Table.3 The comparison between two production technologies

3 國(guó)內(nèi)外銅及合金冷凝管生產(chǎn)狀況

銅及銅合金以其具有良好的耐腐蝕性、高的換熱系數(shù)和優(yōu)良的力學(xué)性能、工藝性能、焊接性能以及抑制海洋微生物附著等特性,被廣泛應(yīng)用于海水淡化裝置、海水倒灌電站、海洋艦船、海洋采油平臺(tái)及其他輔機(jī)和輔助系統(tǒng)等海洋工程裝置的熱交換用管和管系管道裝置用管.尤其在海水淡化、水電聯(lián)產(chǎn)中大量使用銅合金管作為蒸發(fā)、冷凝過(guò)程的熱交換管束.在海洋工程用管市場(chǎng),HAl77-2和HSn70-1黃銅管、BFe10-1-1和BFe30-1-1白銅管等主要用于火電、核電、艦船、海水淡化以及船舶制造、石油化工等領(lǐng)域[2].其中,海水淡化、船舶制造等行業(yè)的需求前景被相對(duì)看好.即使按世界銅管材產(chǎn)量中有10%為海洋工程用管來(lái)估計(jì),目前全球的產(chǎn)量也不足25萬(wàn)t.面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求,海水淡化用高性能合金管產(chǎn)品的供應(yīng)仍顯得較為緊張.

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)海洋工程用銅及銅合金管的企業(yè)約20家,而年產(chǎn)量在1 000 t以上的企業(yè)主要有浙江海亮股份有限公司、中鋁洛陽(yáng)銅業(yè)公司、沈陽(yáng)銅興產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司、桂林漓佳金屬公司和金川公司等.其中,中鋁洛銅是銅合金冷凝管生產(chǎn)開(kāi)發(fā)最早的領(lǐng)軍企業(yè),為我國(guó)海軍建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn),海亮股份、高新張銅等公司已研制出MED海水淡化工程用高性能熱交換冷凝管,海亮股份還研制出MSF海水淡化工程用的高性能超長(zhǎng)熱交換冷凝管,成為我國(guó)首家、也是唯一能覆蓋所用熱法海水淡化工程的熱交換銅合金冷凝管的企業(yè),其產(chǎn)品受到國(guó)際市場(chǎng)歡迎.2006年起,海亮股份已連續(xù)三年成為我國(guó)最大的銅及銅合金管出口企業(yè),目前熱交換用銅合金管年產(chǎn)能為6萬(wàn)t.據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2008年海亮股份的合金管出口比例占全國(guó)合金管出口量44 496 t的50%以上,成為當(dāng)年國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品出口的最大供應(yīng)商.隨著越南海亮公司銅及銅合金管建設(shè)項(xiàng)目的投產(chǎn),2010年海亮股份的熱交換用銅合金管年產(chǎn)能進(jìn)一步放大,成為國(guó)際上該行業(yè)高端領(lǐng)軍企業(yè).桂林漓佳金屬公司是我國(guó)最早從事該產(chǎn)品生產(chǎn)的專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè),隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的深人發(fā)展,國(guó)內(nèi)許多銅管企業(yè)都開(kāi)始涉足該產(chǎn)品生產(chǎn),新鄉(xiāng)金龍集團(tuán)己實(shí)現(xiàn)B10白銅盤管拉伸,金川公司引進(jìn)了先進(jìn)的5 500 t油壓擠壓機(jī),許多中小企業(yè)科研院所、大專院校在發(fā)展銅合金冷凝管短流程工藝中取得了可喜的成果,在降低項(xiàng)目投資、產(chǎn)品成本和能源消耗上做出了重要貢獻(xiàn).

由于海水淡化銅合金管的特殊性,且具有重要的使用要求,冷凝管的銅合金管不僅要具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,而且還應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能.通常為復(fù)雜黃銅和白銅,他們是由3種以上甚至是6、7種金屬元素組成的銅合金,如HAl77-2、HSn70-1、BFe10-1-1、BFe30-1-1等.其主要制造特性為:表面質(zhì)量要求高、生產(chǎn)流程長(zhǎng)、熔煉鑄造溫度和擠壓溫度高、冷熱應(yīng)力大,易產(chǎn)生內(nèi)外部裂紋、加工變形抗力大以及工模具消耗大等特點(diǎn).因此,在生產(chǎn)中熟練掌握合金特性,合理控制工藝參數(shù)和各工序環(huán)節(jié)間工藝參數(shù)的匹配,精細(xì)化生產(chǎn)是十分重要的.

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視銅合金熱交換器管的生產(chǎn)和研發(fā),生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)都遠(yuǎn)領(lǐng)先我國(guó),代表企業(yè)有德國(guó)KME、日本神戶制鋼等.我國(guó)該產(chǎn)業(yè)總的情況是:企業(yè)規(guī)模小,總產(chǎn)能不足,生產(chǎn)技術(shù)和裝備先進(jìn)、落后并存,產(chǎn)品質(zhì)量急待提高.主要工作是:大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新,組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,做大做強(qiáng).

4 冷凝管及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

冷凝管合金主要是向抗應(yīng)力腐蝕和耐海洋生物附著的低鎳白銅方向發(fā)展;各類海洋水質(zhì)的輔機(jī)加熱器用冷凝管多為鋁黃銅;中等直徑(φ25～40 mm)冷凝管向大長(zhǎng)度發(fā)展,各種聯(lián)接管向盤管發(fā)展.

發(fā)展高效熱交換冷凝管(如內(nèi)外螺紋管、復(fù)合管、長(zhǎng)冷凝管);提高產(chǎn)品質(zhì)量,攻克除油脫脂技術(shù)難關(guān),消除管材內(nèi)表面碳膜缺陷;大力推進(jìn)科技創(chuàng)新,發(fā)展節(jié)能、環(huán)保,短流程新工藝;做大做強(qiáng)銅合金冷凝管產(chǎn)業(yè),滿足海水淡化產(chǎn)業(yè)需求,開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng),建立有產(chǎn)、學(xué)、研應(yīng)用單位參加的銅合金管產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.

參考文獻(xiàn):

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