低溫多效海水淡化裝置防腐研究

常利峰

（一重集團大連設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116600）

低溫多效海水淡化裝置防腐研究

常利峰

（一重集團大連設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116600）

本文介紹了低溫多效海水淡化蒸發(fā)裝置的選材情況，對蒸發(fā)裝置產(chǎn)生的腐蝕原因進行分析，提出了改進措施。并根據(jù)海水中易引起腐蝕的因素，建議對進料海水進行有效針對性地預(yù)處理。

海水淡化；犧牲陽極；防腐

水資源短缺與對水需求量增大的矛盾日益凸顯，影響著沿海國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。沙特、以色列等中東國家70%的淡水資源來自于海水淡化，他們在海水淡化獲取淡水方面的成功，使越來越多的國家和地區(qū)認可采用海水淡化技術(shù)解決水資源短缺問題。我國近年來也逐漸面臨沿海地區(qū)工業(yè)發(fā)展與淡水資源不足的矛盾，海水淡化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)也逐漸成為經(jīng)濟關(guān)注和技術(shù)發(fā)展的熱點。海水淡化技術(shù)包括電滲析、反滲透、低溫多效蒸餾、多級閃蒸和太陽能海水淡化等多種方案或其組合方案。低溫多效海水淡化技術(shù)，可以利用電廠和工廠低品位熱，對原料海水的預(yù)處理要求低、淡化水品質(zhì)高、設(shè)備構(gòu)造簡單、裝置生產(chǎn)能力大，是海水淡化最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。

1.設(shè)備的選材和腐蝕原因分析

低溫多效海水淡化蒸發(fā)器一般由殼體、換熱管、管板和支撐架等組成。換熱管使用的材料一般為鈦材、鋁黃銅和鋁合金等。固定換熱管的管板，有鋁合金、雙相鋼、316L。殼體用不銹鋼，或者采用碳鋼，涂刷環(huán)氧樹脂涂料進行防腐。蒸發(fā)器接觸的海水腐蝕性非常強，通常會引起以下3種情況的腐蝕：不同金屬的接觸容易引起電化學(xué)腐蝕，而電化學(xué)腐蝕往往會誘發(fā)和加速應(yīng)力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等其他各種類型的局部腐蝕，從而加速設(shè)備的破壞。海水中溶解氧的存在也會形成腐蝕，碳酸鈣等結(jié)垢會引起的換熱管垢下腐蝕等。換熱管腐蝕、蒸發(fā)器殼體腐蝕以及管板腐蝕，會污染產(chǎn)品水水質(zhì)，造成設(shè)備停運和巨大的經(jīng)濟損失。

大港3000t/d多級閃蒸海水淡化設(shè)備運行幾年后，檢修發(fā)現(xiàn)，海水室與冷凝室都出現(xiàn)了比較嚴重的腐蝕。海水室中的腐蝕主要發(fā)生在不銹鋼與碳鋼之間的塞焊點、各級室連通槽上口的焊縫處。另外，個別塞焊點發(fā)生了腐蝕穿孔的現(xiàn)象。腐蝕孔直徑為4mm～6mm，最深的部位為5mm左右。腐蝕類型為電化學(xué)腐蝕。

為了解決海水室腐蝕問題，采用海水室316L不銹鋼表面刷防腐漆，但是防腐漆脫落；采用同種不銹鋼材料對焊縫及塞焊點進行加帽補焊的方法，有一定的防腐效果，點蝕程度大大減輕。加裝犧牲陽極的防腐蝕方法，點蝕問題解決得較徹底。銅鎳合金層一般情況下可以耐高溫海水的腐蝕，但由于噴涂層中可能存在一些細小的針孔，以及沒有噴涂到銅鎳合金的部位，就會形成許多微小電池。經(jīng)過高溫濃縮的海水通過這些針孔滲透到碳鋼基體，最后高濃度的電解質(zhì)導(dǎo)致產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

采用雙相鋼作為蒸發(fā)器殼體和管板可以增加抗腐蝕能力，但是造價非常昂貴。碳鋼價格相對低廉，用于海水淡化蒸發(fā)器殼體制造可以顯著降低成本，但是防護措施做不好，會發(fā)生嚴重的腐蝕。防護涂層的碳鋼蒸發(fā)器殼體是以色列IDE公司的低溫多效海水淡化裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。黃島電廠3000t/d的低溫多效海水淡化蒸發(fā)裝置中，蒸發(fā)器殼體也采用了碳鋼加防腐涂層工藝，運行效果較為理想。

換熱管是低溫多效海水淡化裝置的重要部件，其投資成本在裝置的總成本中占有相當高的比例。師紅旗等人針對蒸發(fā)器換熱管束腐蝕穿孔進行分析得出結(jié)論：蒸發(fā)器管束外表面是垢下腐蝕引起的腐蝕穿孔，另外，水中溶解氧含量過高是導(dǎo)致蒸發(fā)器管束發(fā)生腐蝕穿孔的主要原因，因此他們建議嚴格控制水中含氧量，優(yōu)化蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)從而提高蒸發(fā)器管束的使用壽命。

為解決海水對換熱管的腐蝕問題，大部分海水淡化公司在對換熱管選材時，通常會選擇鋁黃銅、鈦材料等。鈦管有諸多優(yōu)點：（1）鈦管密度小，比強度高。高于鋁而低于鋼、銅、鎳。是不銹鋼的3倍，是鋁合金的1.3倍。（2）耐腐蝕性能好。鈦和氧有很好的親和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著力強以及惰性大的氧化膜，氧化膜保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損，氧化膜也會很快自愈或重新再生。這個特點表明鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。（3）換熱性能好。金屬鈦的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比碳鋼和銅低，但由于鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，所以壁厚可以大大減薄，而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱阻，而且表面不結(jié)垢，可以減少熱阻，這樣就使得鈦的換熱性能顯著提高。鈦的缺點是價格非常昂貴。

鋁及其合金具有比重輕、比強高，價格適當，規(guī)格品種齊全的特點，因而在海洋工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。在流動海水中，鋁合金比普通碳鋼和紫銅更加耐流動海水腐蝕，特別是鋁鎂系和鋁鎂錳系合金。以色列IDE公司將特種鋁合金管（A5052）用于低溫多效海水淡化工程，顯著降低海水淡化裝置的總成本。鋁合金缺點是在海水中無抗污損能力。污損海生物對鋁合金的腐蝕有明顯影響。

海水高腐蝕性一個重要原因是海水中含有大量氯離子。氯離子半徑小，活性大，使許多金屬的鈍化膜遭受破壞。氯離子的存在對有機涂層的破壞不像對金屬腐蝕那樣大，但由于海水滲透涂層膜，對基底金屬腐蝕影響較大，而基底金屬的腐蝕使涂膜喪失結(jié)合力，又加大了有機涂層的腐蝕速度。海水中溶解氧量、溫度、流速等都會對金屬噴涂層、有機涂層防護體系產(chǎn)生影響。

西海岸核電站在鈦管凝汽器中使用了青銅管板，運行9個月后，電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致管板損壞。對水室進行改造，水室中采用了陰極保護裝置，阻止了腐蝕的進一步發(fā)展，最終避免了由此而引起的大量檢修工作和一些非計劃停運的可能性。

某濱海電廠海水冷凝器中冷凝管為銅鎳合金管，水箱采用鑄鐵材質(zhì)，管板采用海軍黃銅材質(zhì)。經(jīng)過一段時間生產(chǎn)以后，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)，管板部位有輕微滲漏，碳鋼水室壁腐蝕嚴重。99年進行整改，采用陰極保護技術(shù)后，防腐效果明顯，設(shè)備運行正常。

2.蒸發(fā)裝置設(shè)備腐蝕的解決措施

低溫多效海水淡化裝置，其蒸發(fā)器及冷凝器裝置內(nèi)部由高溫濃海水、鹽霧及蒸汽構(gòu)成了一個高溫高濕高鹽度的工作環(huán)境，極易遭受電化學(xué)腐蝕，尤其是局部腐蝕和焊縫腐蝕更為嚴重。蒸發(fā)器常采用防腐涂層保護，但由于設(shè)備體積較大，裝配復(fù)雜，由于不適當?shù)谋砻嫣幚砗筒徽_的使用以及維修保養(yǎng)差，再加上涂層面上的局部缺口，使涂層有效防腐蝕性能下降，在涂層局部破損點上會發(fā)生相當嚴重的腐蝕。

除了選材、涂層，犧牲陽極。采取加裝合適的犧牲陽極進行陰極保護的方法，也可以解決腐蝕問題。犧牲陽極陰極保護技術(shù)由于具有經(jīng)濟有效、對相鄰的金屬設(shè)備干擾小等諸多優(yōu)點和獨特的功能，因而在腐蝕控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

海水介質(zhì)中使用的犧牲陽極主要是鋅基合金犧牲陽極和鋁基合金犧牲陽極。鋅基合金犧牲陽極電流效率高，溶解均勻，電流有自調(diào)節(jié)作用，性能穩(wěn)定，保護效果好，被大量用于海船及其他海上設(shè)施中的陽極保護。

鋁基合金犧牲陽極重量小，電容量大，輸出相同電量的鋁基陽極要比其他陽極輕的多，所以相同重量的前提下其保護面積大，在達到同樣保護效果的前提下，采用鋁基合金犧牲陽極要比鋅基合金犧牲陽極的費用低。鋁陽極同鋅基陽極相比，最突出的優(yōu)點：（1）電容量大，可以設(shè)計長壽命陽極；（2）重量輕，施工方便；（3）制造工藝簡便，材料來源充足，單位電量的價格便宜；（4）在海水環(huán)境中性能良好，有自動調(diào)節(jié)電流的作用。

3.建議

（1）針對蒸發(fā)器中存在的電化學(xué)腐蝕，在設(shè)備選材時應(yīng)該使相互接觸的材料處在電偶序中的位置盡量靠近。

（2）針對換熱管的垢下腐蝕，應(yīng)對進料海水進行防垢處理，包括有效投加阻垢劑，膜過濾脫除易結(jié)垢的成分，如Ca2+，SO42-等。

（3）針對氯離子、氧氣引起的電化學(xué)腐蝕，應(yīng)該對進料海水進行余氯和脫氧處理，將余氯控制在0.1ppm以下，將溶解氧含量控制在50ppb以下。

（4）針對污損海生物對鋁合金腐蝕有影響的特點，應(yīng)對進料海水進行有效預(yù)處理，降低海水中的懸浮物含量，尤其是海生物含量。

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